基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，该方法克服了飞秒激光加工宽禁带材料时加工效率有限，传统的材料改性方法不能精确调节激光加工中的电子状态，并且会改变材料整体物理性质的问题，使用高能聚焦离子注入技术和精确设计的掩模板或光刻胶掩模，完成对目标区域的局部离子注入，并通过精确调节离子的种类、浓度和分布，控制目标区域形成的纳米团簇的形态，从而调控其在与激光相互作用时的电子状态，实现对材料高效率、选择性加工的目的。本发明方法若大规模应用于生产，将会大幅度提高飞秒激光对材料的加工效率，产生巨大的经济效益。
【专利说明】基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种飞秒激光加工方法，特别涉及一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，属于飞秒激光应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]微型化是国防、生物、医疗、环境、信息等领域的普遍发展方向。许多微结构都是跨越纳米、微米尺度的跨尺度。飞秒激光因灵活、无污染、无接触、非线性吸收等特点成为理想的微/纳米制造工具之一，但存在跨尺度加工时质量和效率难以兼顾的瓶颈问题。目前人们通过调节飞秒激光的空间及时间能量分布，调控激光光子与材料电子的瞬时局部作用，有效地提高了飞秒激光加工质量与效率，但这些手段都仅考虑了作为加工工具的激光光场的调节。
[0003]除了作为加工工具的激光光场，通过改变加工对象的物性也能极大影响光子的吸收及材料的相变，从而影响加工质量与效率。通过改变玻璃、晶体、陶瓷、聚合物等宽禁带的材料的物理性质，其对光子可以产生吸收增强的效果，并提高烧蚀效率。但是目前主要的材料改性方法一方面难以精确地调节被加工区域的物理性质和其与激光相互作用时的电子状态，另一方面不能够控制材料改性区域的空间位置，所以在应用上存在限制。
[0004]而离子注入作为材料改性方法的一种，近年来在光学领域逐步得到了应用。在文献 Y.Takeda, J.P.Zhao, C.G.Lee, V.T.Gritsyna, and N.Kishimoto:Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research Section B:Beam Interactions with Materials andAtoms.166,877-881(2000)中，作者对熔融石英和α-石英进行了 Cu_离子注入，并观测到了注入后样片对某些波长段光吸收的增强，但是目前并没有研究将这种光吸收增强的性质应用于飞秒激光加工效率的提高当中。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为解决克服飞秒激光加工宽禁带材料时加工效率有限，传统的材料改性方法不能精确调节激光加工中的电子状态，并且会改变材料整体物理性质的问题，提出了一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法。该方法使用高能聚焦离子注入技术和精确设计的掩模板或光刻胶掩模，完成对目标区域的局部离子注入，并通过精确调节离子的种类、浓度和分布，控制目标区域形成的纳米团簇的形态，从而调控其在与激光相互作用时的电子状态，实现对材料高效率、选择性加工的目的。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，该方法包括以下步骤:
[0008](I)覆盖待加工材料，只暴露出待加工区域；
[0009]所述覆盖待加工材料可以使用掩模板或光刻胶掩模覆盖；
[0010](2)对待加工区域进行离子注入；[0011]所述离子注入的离子种类根据飞秒激光波长及注入后纳米颗粒的表面等离子体共振吸收峰选定；
[0012]所述离子注入的其他参数根据需要的纳米形态进行精确控制；
[0013]所述离子注入的其他参数包括注入能量，注入电流和注入剂量；
[0014]所述离子注入需要在真空环境中进行；
[0015]所述离子注入在注入离子前需要先将待加工材料用夹具固定在底座上；
[0016]较优的夹具和底座要用金属导热材料制成；
[0017](3)去除掩模；
[0018](4)将待加工材料固定于平台上；
[0019]所述平台应满足固定于其上的物品可以沿横向、纵向和垂直方向自由移动；
[0020](5)调整光路，移动平台，使激光精确对焦到需加工位置；
[0021](6)将飞秒激光器发出的飞秒脉冲波长精确调节到与注入后形成的纳米颗粒的表面等离子体共振吸收峰相同；
[0022]所述飞秒脉冲波长如果不能精确调节到所需要的波长，可以使用光学参量放大器调节；
[0023](7)通过光开关控制激光曝光时间和脉冲个数，并通过移动平台完成目标区域加工；
[0024]所述光开关可以使用光学快门；
[0025]所述加工，在加工过程中可以借助电荷耦合元件图像传感器(CCD)设备实时观测加工表面的状况；
[0026]有益效果:
[0027]该发明方法将会在飞秒激光微纳制造领域中得到很好的应用，若技术成熟且应用于生产，将会大幅度提高飞秒激光对材料的加工效率，产生巨大的经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为实施例中飞秒激光加工光路意图。其中，局部放大图表不了样片在六自由度精密移动平台上的安装方式及其与加工激光的位置关系。图中粗实线代表光路，点划线代表各设备间的数据传输。图1中分光镜的反射波长应选择与加工激光波长一致。
[0029]图2为离子注入过程中样片固定方法及其与离子注入机，离子束的位置关系示意图。
[0030]图3为本发明方法加工流程示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明方法的实施方式作详细说明。
[0032]本发明提出的一种基于电子状态调控原理，通过离子注入的方法对材料进行局部改性，并利用飞秒激光对材料进行高效率选择性加工的方法，具体加工流程如下:
[0033](I)为了局部改变目标区域的物理性质，而对材料整体产生影响，需要对加工对象的表面覆盖掩模，只暴露出待加工区域。掩模使用精确设计，并加工有目标区域图案的掩模板，或用光刻胶覆盖材料表面，并根据需要用光刻方法加工出目标区域的图案。掩模板覆盖完成后与加工对象即样片连接关系如图2样片处所示。
[0034](2)在离子注入的过程中，注入参数如离子种类，注入能量，注入电流和注入剂量都是精确可控的。在离子注入前，首先对离子注入各项参数进行调节并使用束流密度扫描仪检测束流密度，比如注入离子的吸收峰应与加工激光频率的吸收峰匹配，以得到最高的激光吸收和加工效率。而通过精确地调节其他注入参数如加速电压，束流密度，注入时间等可以控制目标区域中所形成的纳米团簇的形态。纳米团簇不同的形态对加工中的电子状态有着显著影响，通过对纳米团簇的形态进行控制，可以进一步调控飞秒激光与被加工区域作用时电子的状态，达到高效，选择性加工的目的。
[0035](3)使用夹具将加工对象即样片固定于底座上，该底座及夹具均由导热金属制成，材料为不锈钢，也可使用铜等金属。其目的在于固定加工对象的同时对样片起到散热效果。具体安装位置关系如图2所示。
[0036](4)进行离子注入，注入过程在高真空度的环境中进行，以确保加工对象不受到其他粒子的污染。
[0037](5)去除掩模。
[0038](6)将加工对象固定在6维精密移动平台即六自由度平台上，该平台可以沿Z轴移动对焦，沿X，Y轴移动控制加工区域；调整光路，移动六自由度平台，使激光对焦至加工对象表面。六自由度平台的移动由计算机控制系统进行控制。样片的安装方法如图1中局部放大图所示。
[0039](7)在飞秒激光加工中使用飞秒激光光学参量放大器(OPA)，把波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为ΙΚΗζ，光强分布为高斯分布的线偏振飞秒激光的波长精确调节至与注入离子的吸收峰相同。飞秒激光器与OPA的参数设置由计算机控制系统完成，如图1所示。上述飞秒激光系统采用的是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率ΙΚΗζ，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。OPA可以使用美国Light Conversion公司生产的T0PAS-C，可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节，调节精度为0.lnm。本实施例中飞秒激光器发出的飞秒激光波长与所需的激光波长不一致，因而需要OPA调节，其它应用中，如果飞秒激光器发出的飞秒激光波长与所需的激光波长一致，就可以直接使用。
[0040](8)利用连续衰减片调节入射激光的能量；光学快门shutter(光开关)控制激光曝光时间，改变照射到加工对象表面的激光脉冲个数；利用10倍显微物镜将飞秒激光垂直照射到加工对象上；实现对加工对象特定区域的材料去除，同时借助CCD成像实时观测加工对象表面的加工状况。加工光路示意图由图1所示。
[0041]实验验证及理论解释
[0042]下面基于以上发明的具体实施步骤介绍针对该方法进行的加工实验的具体实验参数，实验操作步骤以及实验加工的效果和理论解释:
[0043](I)实验材料为经掩模板覆盖熔融石英样片，利用离子注入机对熔融石英样片进行局部离子注入，注入离子为铜离子，其吸收峰在569nm左右，控制注入能量为60KeV，注入电流I μ A/cm2。注入环境为室温，真空。最后注入剂量达到3X106ionS/cm2。注入后去除掩模。
[0044](2)在1.14X1014ff/cm2的能量密度下，使用脉冲数为500，波长分别为500nm和569nm的激光对样片的不同注入区域进行加工，使波长为569nm的激光所造成的烧蚀区域体积为500nm激光的2.0倍。
[0045](3)在1.14X 1014W/cm2的能量密度下，使用波长为569nm单脉冲激光对样片注入区域与非注入区域进行加工，发现样片的非注入区域无法被烧蚀，而注入区域产生了烧蚀效果。
[0046]对该实验结果的理论解释:
[0047]飞秒激光加工材料的烧蚀过程主要分为三个阶段，第一个阶段为被加工材料的电子通过非线性吸收效应吸收光子能量，第二个阶段为受激发的电子发生电离并达到临界自由电子密度，第三个阶段为材料被加工区域发生库伦爆炸等过程并导致材料去除，其中激光与材料作用最初的能量吸收阶段非常关键，直接影响了接下来的电离阶段及加工效果。对于经过离子注入后的材料，其注入区域会形成大量纳米粒子。当纳米粒子受到一定波长光的照射时，会产生表面等离子体共振效应，并出现对该波长段光吸收的增强，这种吸收增强会对接下来加工过程中被加工区域的电子状态产生影响，提高被加工区域的电离率及自由电子密度，使其更容易达到临界自由电子密度。由此可以预测，在飞秒激光烧蚀加工对象经过离子注入的区域时，由于第一阶段的电子能量吸收得到增强，其加工效率会得到改善，并出现选择性加工效果，而实验结果与上述预期相符。
[0048]为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解:在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。
【权利要求】
1.一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)使用掩模板或光刻胶掩模覆盖待加工材料，只暴露出待加工区域； (2)对待加工区域进行离子注入； (3)去除掩模； (4)将待加工材料固定于平台上； (5)调整光路，移动平台，使激光精确对焦到需加工位置； (6)将飞秒激光器发出的飞秒脉冲波长精确调节到与注入后形成的纳米颗粒的表面等离子体共振吸收峰相同； (7)通过光开关控制激光曝光时间和脉冲个数，并通过移动平台完成目标区域加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述离子注入的离子种类根据飞秒激光波长及注入后纳米颗粒的表面等离子体共振吸收峰选定，其他参数根据需要的纳米形态进行精确控制，注入离子前需要先将待加工材料用夹具固定在底座上，注入过程需要在真空环境中进行。
3.根据权利要求2所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述离子注入的其他参数包括注入能量，注入电流和注入剂量。
4.根据权利要求2所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，夹具和底座要用金属导热材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述平台应满足固定于其上的物品可以沿横向、纵向和垂直方向自由移动。
6.根据权利要求1所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述飞秒脉冲波长如果不能精确调节到所需要的波长，可以使用光学参量放大器调节。
7.根据权利要求1所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述光开关可以使用光学快门。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，其特征在于，所述加工，在加工过程中可以借助CCD设备实时观测加工表面的状况。
【文档编号】B23K26/36GK103909352SQ201410171600
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】姜澜, 曹强, 张家骏 申请人:北京理工大学