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三維飛秒激光納米制造,“3高”特點實現三維高精度加工

分類:
技術服務
2018/09/06 14:04
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【摘要】:
三維飛秒激光納米制造是指利用飛秒激光的高能脈沖直接作用于材料,實現三維的、深納米尺度分辨率和任意結構設計的無掩模板加工。三維飛秒激光納米制造的技術特點可概括為“三高”,即高精度、高度設計性和高度功能化。這3個技術特點均源自飛秒激光這種加工工具的高能量脈沖等超快激光特性。

三維飛秒激光納米制造是指利用飛秒激光的高能脈沖直接作用于材料,實現三維的、深納米尺度分辨率和任意結構設計的無掩模板加工。三維飛秒激光納米制造的技術特點可概括為 “三高”,即高精度、高度設計性和高度功能化。

這3個技術特點均源自飛秒激光這種加工工具的高能量脈沖等超快激光特性。以中等大小的激光功率為例,飛秒激光輻射的能量密度高達1013 W/μm2。如此高的脈沖能量使三維飛秒激光制造的加工機制具有區別于以往加工手段的特點,具體表現為2 個方面:熱效應抑制和非線性吸收。由于飛秒激光具有十幾到上百飛秒的超短脈沖,其能量吸收時間遠小于熱弛豫等動力學過程所需時間,因此能夠有效抑制激光掃描區域的熱效應。或者說,飛秒激光可看作一種冷處理工具。飛秒激光的高能脈沖也使其光與物質間的相互作用與連續激光的情形截然不同,具體表現為所作用材料對飛秒激光的吸收表現為非線性,即雙光子或多光子吸收。

正是由于這種非線性吸收特性,飛秒激光加工不僅可達到遠超光學衍射極限的分辨率(10 nm 以下),還具有廣泛的材料加工能力,從聚合物軟材料到金屬、半導體和介電材料等硬材料,均可進行加工。與之對應的光物理/光化學過程也涵蓋燒蝕、光聚合、光還原和光致異構化等過程,不僅顯示了飛秒激光的強大加工能力,還激發了豐富的物理、化學現象與機制。可見,三維飛秒激光納米制造以飛秒激光為加工工具,以其獨特的非線性特性區別于其他加工手段,因此具有極高的加工精度和圖案化能力,是一種具有材料普適性的強大三維加工技術。

雙光子聚合是三維飛秒激光納米制造技術的最典型代表,已被廣泛應用于電路加工與集成。其基本原理是在飛秒激光與物質相互作用時,感光聚合物中的電子在1個量子過程中同時吸收2個紅外光子(二者能量和等同于1個紫外光子),從而實現從基態到激發態的躍遷。在此過程中,雙光子吸收速率正比于光強的平方。因此,只有在光強足夠高時,雙光子聚合才會發生。

雙光子聚合具有三維飛秒激光納米制造的典型技術特點,即高分辨率和強大的三維圖案化能力。其分辨率,即所加工結構的最小特征尺寸,約為10 nm。具體來講,雙光子聚合具有3個方面的非線性作用:光學非線性、化學非線性和材料非線性。這3個方面的綜合作用效果最終決定了此種加工技術的深亞波長分辨率。

本文摘選自知乎論壇。

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