飞秒激光在硅表面微加工的研究
飞秒激光加工sic的烧蚀阈值及材料去除机理
飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理研究一、概述飞秒激光作为一种新型的材料加工工具，因其独特的加工特性受到了广泛关注。
飞秒激光加工具有瞬间高能量密度，瞬间产生的高温和热应力使得材料可以被快速去除。
飞秒激光在微纳加工、材料去除以及医疗领域有着广泛的应用前景。
二、SiC材料的特性SiC是一种重要的功能陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、耐热性和化学稳定性，因此在航空航天、能源领域以及电子工业中有着广泛的应用。
然而，由于其高硬度和脆性，传统的机械加工方法难以对其进行精密加工。
而飞秒激光加工由于其独特的加工机理可以对SiC材料进行高精度加工。
三、飞秒激光对SiC材料的烧蚀阈值研究1. 飞秒激光烧蚀阈值的定义飞秒激光烧蚀阈值是指在材料表面形成微小凹坑所需要的最小脉冲能量密度。
烧蚀阈值的研究可以帮助我们了解飞秒激光对SiC材料的加工性能以及选择适当的加工参数。
2. 烧蚀阈值的实验测定通过在实验室中利用飞秒激光对SiC材料进行加工，在不同的能量密度下观察材料表面形成微小凹坑的能量阈值，从而确定飞秒激光对SiC 材料的烧蚀阈值。
3. 烧蚀阈值的影响因素烧蚀阈值的大小受多种因素影响，包括材料的性质、激光参数、加工环境等。
研究表明，SiC材料的烧蚀阈值与其晶格结构、折射率、熔点等有一定关系。
四、SiC材料去除机理研究1. 飞秒激光对SiC材料去除的机理飞秒激光材料去除的机理主要包括光热效应、等离子体和电子云效应、以及激光诱导的化学反应。
在对SiC材料进行飞秒激光加工的过程中，激光脉冲瞬间产生高能量密度，使得材料表面产生等离子体并形成一个离子云，最终导致材料的快速去除。
2. 材料去除机理的影响因素材料去除的机理受多种因素影响，包括激光参数、材料特性以及加工环境等。
研究表明，SiC材料的晶格结构、温度梯度、激光脉冲宽度等因素会对材料去除机理产生一定影响。
五、结语飞秒激光对SiC材料的加工具有着广泛的应用前景，但是对其烧蚀阈值和材料去除机理的研究仍然有待深入。
飞秒激光超微细加工技术简介
飞秒激光超微细加工技术简介摘要：本文首先简单地介绍了飞秒激光和超微细加工技术飞秒激光加工技术的技术背景，然后较为详细地介绍了飞秒激光超微细加工技术及其特点与应用，结合飞秒激光超微细加工技术的特点将其与其它的微机械加工技术进行了比较，最后分析飞秒激光超微细加工技术的发展趋势和应用前景。
关键词：飞秒激光超微细加工技术飞秒激光超微细加工Femtosecond laser micro machining technology IntroductionAbstract: This paper first briefly describes the technical background of the femtosecond laser and micro machining technology andfemtosecond laser micro machining technology, then a moredetailed description the femtosecond laser micro machiningtechnology and its features and applications, combined withthe femtosecond laser micro machining technology will becharacterized by with other micro-machining technology, thefinal analysis of the femtosecond laser micro machiningtechnology trends and application prospects.Keywords:femtosecond laser micro machining technology femtosecond laser ultra-fine processing0引言激光（Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写），意思是利用辐射受激得到的加强光，激光加工（Laser Beam Machining）就是把激光的方向性好和输出功率高的特性应用到材料的加工领域中去。
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》
《飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术研究》一、引言随着微纳制造技术的飞速发展，飞秒激光刻蚀技术在石英玻璃微加工领域的应用日益广泛。
该技术以其高精度、高效率、低损伤等优点，在光学、光电子学、微机械等领域展现出了巨大的应用潜力。
本文将就飞秒激光刻蚀石英玻璃微加工技术的研究现状、原理、实验方法、结果以及展望等方面进行详细介绍。
二、飞秒激光刻蚀技术原理飞秒激光刻蚀技术是一种利用飞秒激光器产生的高能量、高精度的激光脉冲对材料进行微纳加工的技术。
其原理是利用激光的超高能量和超快脉冲宽度，使石英玻璃材料在极短时间内发生非线性吸收、多光子电离等物理过程，从而达到局部快速熔化、汽化、烧蚀的效果，实现材料的高精度微加工。
三、石英玻璃微加工技术研究现状石英玻璃作为一种重要的光学材料，具有优良的物理化学性能和光学性能，广泛应用于光学仪器、光电子器件、传感器等领域。
然而，石英玻璃硬度高、脆性大，传统的机械加工方法难以实现高精度、低损伤的加工。
因此，飞秒激光刻蚀技术在石英玻璃微加工领域的应用成为了研究热点。
目前，国内外学者在飞秒激光刻蚀石英玻璃的加工工艺、加工质量、加工效率等方面进行了大量研究，取得了一系列重要成果。
四、实验方法与步骤1. 实验材料与设备：选用高纯度石英玻璃作为实验材料，采用飞秒激光器作为加工设备。
2. 实验设计：根据实际需求，设计合理的激光参数（如激光脉冲能量、频率、扫描速度等）和加工路径。
3. 实验步骤：将设计好的加工路径导入飞秒激光器控制系统，启动激光器进行加工。
通过观察和记录实验过程中的现象和数据，分析飞秒激光刻蚀石英玻璃的加工特性。
五、实验结果与分析1. 加工质量：飞秒激光刻蚀石英玻璃具有高精度、低损伤的特点，可实现微米级别的加工精度。
通过优化激光参数和加工路径，可以提高加工质量，降低表面粗糙度。
2. 加工效率：飞秒激光刻蚀技术具有高效率的优点，可以在短时间内完成复杂的微纳加工任务。
然而，过高的激光能量可能导致加工速度降低，需根据实际需求合理调整激光参数。
飞秒激光在激光微加工的应用
激光微细加工具有如下优点： ·高质量 ·单步“干”加工处理 ·高
度灵活性 ·经济效益可观 激光微
激光微激光微
激光微细加工的
加工的加工的
加工的优越性在很大程度上 由应用来决定，同时也依赖
于激光器的选择 和采用的加工方法。激光微
激光微激光微
激光微细加工最吸引人 之处是它所具有的灵活性，能
准分子激光准分子激光
准分子激光器进
行微细加工和表面校 平已获得很好的效果，而另外一些系统，如皮 瓦激光器可能会引起其
他方面应用的关注。 ＵＳＡ）研制的Ｑ开关纤维激光器样机研究激 光微细加工仍存在某些
问题。把这种激光器 叫做皮瓦（Ｐｉｃｏｗａｔｔ）光器，波长为１０６４ｎｍ 线偏振
并 且早已相当成熟．而后者，即飞秒脉冲激光器 的使用正在逐渐显示其重要性。虽然评估
脉 冲周期＜几十纳秒激光器的使用寿命的工 作还有待进一步展开，但其优越性已显著超
过飞秒级激光器。利用ＩＭＲＡ公司（ＡｎｎＡｒｂｏｒ Ｍｉｃｈｉｇａｎ 孔的加工质量
非常好。此外，几乎没有发现诸 如用准分子激光
输出光束，光束质量因子Ｍ２＜１．２。这 光机电信息７／２００１ 万方数据 ＯＭＥ Ｉ
ＮＦＯＲＭＡＴｌ０Ｎ Ｎｏ，７。２００ｌ，再加 上它们尺寸小、效率高、运行费用低并
易于 使用，因此这种类型的激光器会在ＣＶＤ金刚 石加工方面特别有用。 用不锈钢样品
做了类似的加工试验，样品的厚度为５０ｍ一７５¨ｍ。样品放在移动速度为１０ｍｍ／ｓ
相关应用。额外，述给：出了用垂纳秒圈体纤雏激光器进行微细加工获得 鲮初涉结果；最
后叙述了席超短脉冲激光器进行激光微
激光微激光微
飞秒激光微纳加工用途
飞秒激光微纳加工用途
飞秒激光微纳加工是一种高精度、高效率的微观加工技术，利用飞秒激光的特殊能量特性，可以对各种材料进行微细加工。
这种技术广泛应用于微纳电子、光学器件、生物医学、光子学等领域，在改善设备性能和提高产品质量方面发挥了巨大作用。
以下是飞秒激光微纳加工的主要用途：
1.微电子加工：飞秒激光可以用于制作微电子元器件，例如微型传感器、微电极和微通道等。
这种高精度加工技术可以提高电子元器件的性能和可靠性。
2.光学器件加工：飞秒激光可以用于制作微型光学器件，如光纤连接器、光波导和微型透镜等。
通过精确控制激光参数和加工条件，可以实现高精度和高质量的光学器件加工。
3.生物医学应用：飞秒激光微纳加工在生物医学领域有广泛应用。
可以通过飞秒激光实现细胞操作、组织修复和细胞杀伤等操作。
这种精确控制的加工技术在生物医学领域有着重要的应用前景。
4.材料改性和表面处理：飞秒激光可以用于材料表面的微纳改性和处理。
通过控制激光能量和作用时间，可以实现材料表面的微纳结构化、溅射和烧蚀等处理，从而改善材料的性能和表面特性。
5.光子学器件加工：飞秒激光可以用于制作微型光子学器件，如集成光路和微型光电子器件等。
这种高精度加工技术可以实现光子学器件的高集成度和高可靠性。
总的来说，飞秒激光微纳加工技术在微纳加工领域有着广泛的应用前景。
它具有高精度、高效率和可控性等优点，可以对各种材料进行精确加工和处理。
随着科学技术的不断发展，飞秒激光微纳加工技术在各个领域的应用将会越来越广泛。
飞秒激光制备金属表面微纳结构及其技术应用
飞秒激光制备金属表面微纳结构及其技术应用近年来，随着金属表面微纳结构的广泛研究，其在航空航天、医疗、汽车和光电子等领域的应用也日益普及。
其中，飞秒激光制备金属表面微纳结构既可以提高表面结构形貌，同时又不会损坏原有材料和特性，是目前制备表面微纳结构的一种新兴技术。
一、飞秒激光制备表面微纳结构的原理飞秒激光制备表面微纳结构方法是一种新型的表面制备技术，它采用飞秒激光作为过程能源，以较低的能量对金属表面进行加工，使其形成特定的表面微纳结构。
在微结构加工过程中，激光能量产生分子能带，而这种由被激光到达光波耦合，电场产生的能带作用在金属表面上形成强大的抽取区，产生电子团子及电离现象。
这样，就产生了周围空位，也形成了微纳结构。
二、飞秒激光制备表面微纳结构的优势首先，它不会损坏表面原有材料和特性，无损获取表面微结构；其次，处理后的表面结构的均匀性比传统方法更好，更能满足精度要求；再次，它可以得到精细的表面微网状结构，对改变表面特性有很大的帮助。
最后，飞秒激光制备表面微纳结构技术可以制备出具有自旋特性表面，从而有效改善表面光滑度，提升表面积、抗氧化性能和耐蚀性等特性。
三、飞秒激光制备表面微纳结构的应用飞秒激光制备表面微纳结构在航空航天领域有着广泛的应用，其特殊表面结构可用来优化动静特性以及改善其耐腐蚀和抗冲击特性；在空间应用，采用该技术制备的金属纳米表面结构可以抵抗宇宙辐射的侵蚀；在医疗领域，可以应用其制备出的有特性的表面结构，提升材料的生物相容性和体外悬浮时间;对于汽车行业，飞秒激光可获得高精度的微型螺旋弹片，用于改善发动机效率；在光电子领域，利用制备的表面微纳结构可以极大的提高表面的反射率，改善表面光性能，以及提高元件的高频响应。
四、结论飞秒激光制备表面微纳结构技术是一种新兴、无损的表面制备技术，它可以产生精细的表面微结构形貌，可以改善表面性能，改善传统材料的表面光滑度、抗氧化性等特性，并且具有较大的应用潜力。
飞秒激光烧蚀光斑图像的周期灰度变化分析
第42卷第3期 激光杂志Vol.42，N a3 2021 年 3 月LASER JOURNAL March,2021飞秒激光烧蚀光斑图像的周期灰度变化分析王福斌1，孙志林1，刘梦竹1，Paul Tu21华北理工大学电气工程学院，河北唐山063210;2卡尔加里大学机械及制造工程系，加拿大卡尔加里T2N 1N4摘要:在不同的飞秒激光烧蚀功率下，由于核心烧蚀区被烧蚀掉的材料体积不同，使得衍生的等离子体 发光强度也不同。
因此，有必要研究序列烧蚀光斑图像灰度变化与烧蚀工艺之间的关系。
首先，连续采集2 400帧光斑图像，获得光斑图像的灰度周期变化曲线，并对曲线进行小波去噪处理；其次，分析光斑图像周期性 灰度变化曲线与烧蚀加工周期间的关系；再次分析了不同烧蚀状态下的光斑图像熵与光斑图像灰度间的对应 关系；最后，分析了同一烧蚀功率，不同烧蚀时刻下烧蚀光斑图像灰度变化的稳定性。
研究结果表明：烧蚀光斑 灰度的周期变化与激光工作台的周期运动一致。
在工作台向左或向右运动时，烧蚀过程是稳定的，光斑较亮。
而在左右端点处，烧蚀光斑灰度值较低。
关键词：飞秒激光；光斑图像；激光烧蚀；图像灰度中图分类号：文献标识码：A doi：10. 14016/ki.jgzz.2021.03. 126Analysis of periodic gray level change of spot image ablated by femtosecond laserWANG Fubin1, SUN Zhilin1，LIU Mengzhu1，Paul Tu21School o f Electrical Engin eering, North China University o f Science and Technology, Tangshan H ebei，063210，C h ina;2 Department o f M echanical and M anufacturing Engineering, University o f Calgary ^C algary C an a da,72A^1A^4, CanadaAbstract：Under different femtosecond laser ablation power,due to the different volume of the ablated material in the core ablation region,the emission intensity of the derived plasma is also different.Therefore,it is necessary to study the relationship between the grey level change of sequential ablation spot image and ablation process.Firstly, 2400 frames of spot images are collected continuously to obtain the spot image*s grey periodic curve,and the wavelet denoising is performed on the curve.Secondly,the relationship between the spot image?s periodic grey change curve and the ablation cycle is analysed.Thirdly,the corresponding relationship between the spot image1s entropy and the spot image*s grey level under different ablation states is analysed；Finally,the stability of grey level change of ablation spot image under the same ablation power but different ablation time is analysed.The results show that the periodic change of the ablated spot’s grey level is consistent with the laser table’s periodic motion.When the worktable moves to the left or right,the ablation process is stable,and the spot is bright.However,the ablated spot*s grey value is low at the worktable*s left and right ends.Key words：femtosecond laser；spot image；laser ablation；image grayscalei引言飞秒激光作为超精细微纳加工手段受到了越来收稿日期:2020-10-14基金项目：河北省专业学位教学案例（库）建设项目（N o.KCJSZ20I9096) 通讯作者：王福斌（ 1968-),男，副教授，博士，主要研究方向：机器视 觉、飞秒激光烧蚀微尺度结构图像分析。
1064nm纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究
纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究*1064 nm 杨宏道 李晓红李国强 袁春华 唐多昌 徐 琴 邱 荣 王俊波( 西南科技大学理学院激光与光电子实验室，极端条件物质特性实验室，绵阳 621010 )(2010 年 3 月 17 日收到;2010 年 5 月 7 日收到修改稿)利用 Nd :YAG 纳秒激光( 波长为 1064 n m ) 在不同气氛( 空气、N 2 ，真空) 中对单晶硅进行累积脉冲辐照，研究了 表面微结构的演化情况. 在激光辐照的初始阶段，与 532 和 355 nm 纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同，1064 nm 脉冲激光诱导 出了微孔结构和 折 断 线 结 构，并且硅的晶面取向不同，相应的折断线结构也不同. 对 于 Si (111 ) 面，两条折线交角为 120 ° 或 60 ° ，形成网状;而对于 Si (100 ) 面，两条折断线正交，从而将表面分成了 15 —20 μm 的矩形块. 结果表明，微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关，而折断线的形成主要是热应力作用的结果. 不同 气氛对微结构形成的影响表明，刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系.关键词: 纳秒激光，硅的微结构，相爆炸，热应力P A C S : 79 . 20 . E b ，61 . 72 . u f ，68 . 37 . － d引 言 2 . 实 验1. 实验采用单面 抛 光 (100 ) 和 (111 ) 取 向 的 两 种单晶硅片. 首先把硅片切成 1 cm × 1 cm 小片，再将样品在丙酮和甲醇中分别超声清洗 15 m i n ，用氮气将硅片吹干，然后将单晶硅样品固定在样品台上.实验中 采 用脉冲持续时间 10 ns ，基 频 波 长 1064 nm 的 Nd :YAG 纳 秒 脉 冲 激 光 器，脉 冲 激 光 通过焦距为 25 cm 的 聚 焦 透 镜 垂 直 入 射 到 硅 样 品 表面，辐照脉冲 数 通 过 机 械 快 门 来 控 制. 纳 秒 激 光 脉 冲的空间强度分布为近高斯型，聚焦后辐照到样品上的光斑直 径 为 300 —500 μm ，实 验 所 采 用 的 激 光能量密度为4. 5 J / cm 2，激光辐照后的样品通过扫描电子 显 微 镜 ( TM -1000 型 S E M ，日 立 公 司 ) 进 行分析.利用脉冲激 光 对固体材料进行表面修饰和改 性［1 —20 ］是近年来广泛研究的一个领域. 早期的研究 主要是利用脉冲激光在相对较低的能量密度 ( E d < 1 J / cm 2 ) 下辐照材料表 面，可 获 得 波 纹 状 周 期 表 面结 构 ( L aser -I nduced Periodic Surface S t ruc t uresLIPSSs )［3 ］. 这种周 期 性 结 构 已 经 在 金 属、陶 瓷、聚合物和半导体材料［6 —9 ］上得到 了 广 泛 的 研 究. 随 着对脉冲激光诱导固体表面微结构研究的不断深入， Mazur 等［16 —18 ］发现用 能 量密 度在烧蚀机理范围内的激光照射硅，累积一定的脉冲数可形成锥形尖锋 结构. 硅的这种微结构以其优异的光电性能已成为 下一代新型的光电材料［16 —19 ］. 为了研究硅在激光脉 冲的辐照下表面如何形成三维周期微结构，我们利 用 Nd :YAG 纳秒激光对硅做了研究［21 ］，在 SF 气氛 6或空气中激 光 脉 冲 累 积 辐 照 单 晶硅均可产生锥形 尖峰结构. 为了更详细地了解微结构的生长及环境 条件的影响，利用波长为 1064 nm 的 Nd :YAG 纳秒 激光，在不同气氛环境下对硅表面进行累积脉冲辐 照，研究了表 面 微 结 构 的 演 化 情 况，分 析 了 不 同 晶3 . 实验结果及分析3. 1. 空气中的情况图 1 为 1064 nm 脉冲激光在空气中作用于不同J / cm 2) 辐 照 硅 片 时，硅 表 面 出 现 了 折 断 和 微 孔 现 象. 对于 Si (111 ) 面，两条折线相交为 120 ° 或 60 ° 形 成网状( 如图 1 ( a ) 所 示) ;而 对 于 Si (100 ) 面，两 条 折断线相 交 90 ° ，形 成 格 子 状，从 而 将 表 面 分 成 了 15 —20 μm 的矩形块( 如图 1 ( b ) 所示) . 折断线的出 现与单晶硅的晶面取向有密切的关系. 当材料表面的形式向内 扩 散，使 材 料 内 部 形 成 非 均 匀 温 度 场.在激光加热形成的非均匀温度 场 和 变 形 约 束 作 用下，材 料 中 便 产 生 了 热 应 力，即 激 光 热 应 力［22 ］. 因 此可以认为这种折断线结构是 激 光 脉 冲 在 硅 表 面 累积产生的热应力效应.图 1 1064 nm 脉冲激光在空气中作用不 同 晶向 硅表面形成折断的形貌 N = 10 . ( a ) Si ( 111 ) 面，( b ) Si (100 ) 面在我们前面的研究［23 ］中发现，脉冲激光的波长 是 355 和 532 nm 时，在几个脉冲的作用下，硅表面出现的一般 是 波 纹 结 构，而 不是折断线结构. 由 于 光吸收率很小，结 合 文 献［17 ］可 知，硅 对 355 ，532 ，1064 nm 波长的 光 的 吸 收 率 依 次 减 小. 由 此 认 为 不同波长的脉冲激光与硅相互作 用 形 成 不 同 的 结 构 与硅 对 各 种 波 长 的 光 的 吸 收 率 的 差 异 有 密 切 的 关系.硅的禁带宽度为 1. 1 eV ，由 h ν = E g 可得出吸收光 的截止波长( λ = c / ν，c 是光速) 为 1. 127 μm . 1064 nm 因为很接近截止波长，所以硅对 1064 nm 波长的图 2 1064 nm 脉冲激光在空气中作用不同晶向硅表面形成微结构的形貌 ( b ) 为Si (100 ) 面N = 2000 . ( a ) 为 Si (111 ) 面， 图 2 是 1064 nm 脉冲激光对不同晶向的硅表面在空气中累积脉冲数达到 2000 时形成的微结构的 形貌图. 由图 2 ( b ) 不难看出，Si (100 ) 面形成的微结 构排列较整 齐;而 Si (111 ) 面 微 结 构的排列要凌乱 一些( 如图 2 ( a ) 所 示) . 这表明 单 晶硅在激光脉冲累积作用下产生的微结构与晶面取向有关. 氮气中的情况3. 2. 图 3 为利用 1064 nm 纳秒脉冲激光在氮气中辐照 S i (100 ) 表面的形 貌 演 化 过 程 ( 激光能量密度为4. 5 J / cm2 ，100 kPa). 当作用10 个脉冲后，硅表面开始变得粗糙(图3 (a ))，同时有突起和微孔(2 —3 μm)产生. 随着脉冲数的增加(50 个)，突起更加明显，微孔也更大更多(图3 (b )). 当脉冲数增加到100 个时，相邻的微孔变大，相连，变成沟槽状(图3(c)). 脉冲数达到200 个时，沟槽数量已变得非常多(图3 (d)). 2000 个脉冲后，辐照区域的中央便形成较钝的锥形微结构(图3 (e )). 由其放大倍率的SEM 图可知，微结构的尺寸大小约为20 —30 μm，数密度约为2. 9 ×10 4 spike / cm2 .(a)N = 10 ，(b)N = 50 ，(c)N = 100 ，(d)N = 200 ，(e )N =图3 N2 环境中1064 nm 脉冲激光作用下硅表面形貌的演化过程2000 ，(f)，(g)，(h)分别为(e)，(a)及(b)的放大图在激光辐照的初始阶段(脉冲数为10 —50 个)，我们通过观察高倍率放大的SEM 图(图3 (g )，(h))，发现硅表面同样出现了大小不等的微孔和折早是在与亚表面过热效应相关的激光烧蚀领域中出现的［26 ］. 当硅被波长1064 nm 纳秒激光(脉宽为15 ns)辐照后，出现了微米量级的空洞、裂缝、被困在解理面处断裂，则此处硅原子之间的作用力也较 弱，所以在折断线附近出现微孔结构的概率也就会 相对较大. 因 此，硅 表面微孔和颗粒状的物质的形 成与相爆炸和亚表面过热效应有密切的关系. 出，在真空、氮气或空气中均可形成锥形结构，但在 真空中形成 的 较 钝、且 顶 部 光 滑，在 氮 气 中 形 成 的 较规则，而在 空 气 环 境 下 形 成 的 则 很 不 规 则. 同 时 可以看出，三种气氛下微结构的数密度有很大的不 同. 经过估算，空气、氮气和真空中硅的微结构数密度依次为 1. 5 × 10 5，3 × 104 和 1. 8 × 10 4 spike / cm 2 . 3. 3. 不同环境的比较图 4 是 1064 nm 脉冲激光在各种不同气氛下作图 4 1064 nm 脉冲激光在各种不同气氛下作用于硅表面产生的微结构的 SEM 图 能 量 密 度 均 为 4. 5 J / cm 2，N = 2000 ， ( a ) 空气，( b ) N 2 ，( c ) 真空在本实 验 条 件 下，空 气 中 由 于 氧 的 存 在，因 此其氧化性比氮气及真空中要强. 氮气在常温常压下 是比较稳定 的 气 体，但是在纳秒激光辐照下，由 于 聚焦后的激光具有相当高的峰值功率，当激光辐照 在硅表面时，会在较短的时间内使被辐照的区域处 于高温高压环境下，而此时与被辐照表面接触的氮 气也会处于该环境中. 所以当氮气处于高温高压环 境中时，就会 表 现 出 氧 化 性. 由于真空中受环境气 体的影响最小，即在激光辐照下真空环境表现出来 的氧化性也应该比氮气环境小. 而一般气体氧化性越强，则刻蚀率越大［10 ］. 因此，空气、氮气、真空中硅的刻蚀率依次减小. 接下来考虑气体环境对微结构生长率的影响，Lowndes 等［10 ］认为 若 硅 液 滴 保 持 的时间为 200 ns ，微结构在 200 个 脉 冲 作 用 下 其 直 径中) ，0. 06 m / s ( N 2 中) 和 0. 05 m / s ( 空 气 中) . 比 较微结构的生长 率，发 现 真 空、N 2 和 空 气 下 生 长 率 依次变小，与刻 蚀 率 的 变 化 截 然 相 反. 这 是 因 为 微 结构的生长率主要是由形成的尺寸来表征的，而刻蚀 率是由不同气氛环境来决定的.4 . 结 论我们用波长 1064 nm 的 Nd :YAG 纳秒脉冲激光 在一定能量密度和脉冲数下对单晶硅在空气、真空和 N 环境下 进 行 连 续 辐 照，发 现 均 可 形 成 锥 形 微 2 结构，并研究了影响微结构的若干因素. 不同于 532和 355 nm 波长激光辐照下硅表面出现的波纹结构，发现当脉冲数为 10 —50 个时，1064 nm 激光辐照硅 表面出现了折线和微孔的结构，此过程中可能发生 了相爆炸. 对 于 折 断 线 结 构，主 要 是 热 应 力 作 用 导 致的结果. 最 后，对 比 发 现 不 同 气 氛 对 微 结 构 形 成 有很大的影响，表明生长率和刻蚀率与微结构的形 成有密切的关系.长大到 20 μm ，此 时 微 结 构 的 生 长 率 则 为 100 nm / 200 ns 或 0. 5 m / s. 即 G r = D / τN ，其中 G r 为生长率， D 为微结构的直径，N 为激光作用的脉冲数，τ 为硅 液滴保持的时间. 而由图 4 测得真空、N 2 ，空气中的锥形微结构的直径依次 约 为 44 ，24 ，20 μm . 因 此 便 可得出锥形微结构的生长率分别为:0. 11 m / s ( 真空［1 ］ Chen B ，Y u B K ，Yan X N ，Qiu J R ，Jian g X W ，Zh u C S2004 C h i n . P h y s . 13 968 Li C B ，Jia T Q ，Sun H Y ，Li X X ，Xu S Z ，Fen g D H ，Wan g X F ，Ge X C ，Xu Z Z 2006 A ct a P h y s . S i n . 55 217 ( in Chinese ) ［李成斌、贾天卿、孙海轶、李晓溪、徐世珍、冯东海、 王晓峰、葛晓春、徐至展 2006 物理学报 55 217 ］ Bimba um M ，Stocker T L 1966 J. App l . P h y s . 17 461Huan g W Q ，Xu L ，Wang H X ，Jin F ，Wu K Y ，Liu S R ，Q in C J ，Qin S J 2008 C h i n. P h y s . B 17 1817Zhao X H ，Gao Y ，Xu M J ，D uan W T ，Yu H W 2008 A c t aP h y s . S i n. 57 5027 ( in Chine se ) ［赵 兴 海、高 杨、徐 美 健、段 文涛、於海武 2008 物理学报 57 5027 ］Youn g J F ，Preston J S ，van Drie l H M ，Sipe J E 1983 P h y s . Re v. B 27 1141Faucets P M ，Siegman A E 1982 A pp l . P h y s . L e tt . 40 824Rudolph P ，Ka utek W 2004 Th i n So li d F il m s 453 537Bolle M ，Lazare S 1993 A pp l . S u rf. S c i . 69 31 ［16 ］ Yo un kin R ，Carey J E ，Maz ur E ，Le vinson J A ，Friend C M2003 J. App l . P h y s . 93 2626 ［17 ］ Cro uch C H ，Carey J E ，Shen M ，Maz ur E ，Genin F Y 2004Ap p l . P h y s . A 79 1635［2 ］［18 ］ H uan g Z H ， Carey J E ， Liu M G ， G uo X Y ， Maz ur E ，Campbellet J C 2006 A pp l . P h y s . L e tt . 89 033506［3 ］ ［4 ］ ［19 ］ Ha lbwa x M ，Sarnet T ，De laporte P H ，Sentis M ，Etienne H ，Torregro sa F ，Vervisch V ，Pericha ud I ，Martin uzzi S 2008 Th i nSo li d F il m s 516 6791［20 ］ Xiong P X ，Jia X ，Jia T Q ，Den g L ，Fe ng D H ，Sun Z R ，Xu Z［5 ］Z 2010 A ct a P h y s . S i n . 59 311 ( in Chine se ) ［熊平新、贾 鑫、 贾天卿、邓 莉、冯 东 海、孙 真 荣、徐 至 展 2010 物 理 学 报 59311 ］［21 ］ Y uan C H ，Li X H ，Tang D C ，Yang H D 2010 H i g h Po w e rL a se r and P a rt i c l e B e a m s 22 2 ( in Chinese ) ［袁春华、李晓红、唐多昌、杨宏道 2010 强激光与粒子束 22 2 ］［22 ］ Sun C W 2002 E f f e c t of L a se r Irr a d i a t i n g ( Beijing : N a t i o n alDefen se Ind ustry Press ) pp202 －204 ( in Chin ese ) ［ 孙 承 纬 2002 激光辐 照 效 应 ( 北 京: 国 防 工 业 出 版 社 ) 第 202 —204 页］［23 ］ Y uan C H ，Li X H ，Tang D C ，Y ang H D ，Li G Q 2010 A c t aP h y s . S i n . 59 7015 ( in Chine se ) ［袁春华、李晓红、唐多昌、杨宏道、李国强 2010 物理学报 59 7015 ］［24 ］ Dabby F W ， Peak U C 1972 I EEE Jo u r n a l of Quant umE l e c tr o n i c s QE -8 106［6 ］ ［7 ］ ［8 ］ ［9 ］［10 ］ Lownde s D H ，Fowlke s J D ，Pedra za A J 2000 App l . S u rf. Sc i .154 647 ［11 ］ Wang R ，Yang J J ，Lian g C Y ，Wang H S ，Han W ，Yang Y2009 A ct a P h y s . S i n. 58 5429 ( in Chine se ) ［王 锐、杨 建 军、 梁春永、王洪水、韩 伟、杨 阳 2009 物理学报 58 5429 ］［12 ］ Ya ng Y ，Wang C ，Yang R D ，Li L ，Xiong F ，Bao J M 2009C h i n. P h y s . B 18 4906［13 ］ H u H F ，Wang X L ，Li Z L ，Zhang N ，C ui H C 2009 A c t aP h y s . S i n. 58 7662 ［胡浩丰、王晓雷、李智磊、张 2009 物理学报 58 7662 ］［14 ］ Ya ng L ，Wang Q Y 2009 C h i n. P h y s . B 18 4292楠、翟宏琛 ［25 ］ Shen M Y ，Cro uch C H ，Carey J E ，Yo unkin R ，Maz ur E ， Sheehy M ，Frie nd C M 2003 A pp l . P h y s . L e tt . 82 1715 ［26 ］ Gaglia no F P ，Pa ek U C 1974 A pp l . Opt. 13 274 ［27 ］ Valentin C ，Doina C 1999 Ap p l . S u rf. S c i . 138 218［15 ］ Ran L L ，Qu S L ，Guo Z Y 2010 C h i n . P h y s . B 19 034204Silicon surface microstructures created by1064 nm Nd∶YAG nanosecond laser*Yang H on g-D a o Li X i a o-H on g Li G u o-Q i a n g Yuan C h u n-H ua Tang D u o-C h a n gXu Qin Qiu Rong Wang Ju n-B o( L a se r and p ho t o e l e c tr o n L a b o r a t o r y，S ch oo l of S c i e n c e，L a bo r a t o r y of M a tt e r C h a r a c t e r i s t i c R e se a r ch at E x tr e m e C o n d i t i o n s，So u t h w e s t U n i v e r s i t y of S c i e n c e and T e ch n o l o g y，M i a n ya n g621010 ，C h i n a)( Received 17 March 2010 ; revised man uscript received 7 May 2010 )A b s t rac tWe investigated the evolution of surface microstructures creat ed on single crystal silicon wafers by the cu m u l a t i v e N d ∶YAG nanosecond laser pulses ( wavelength 1064 nm ) in different atmospheres ( N，air and vacuum ) . Micropore2structure and the fracture lines are formed after irradiation of a few laser pulses，compared with ripple structures created b y laser pulses of wavelengths of 532 and 355 nm . The fracture line structure is different for (111 ) and (100 ) silicon . The fracture lines have 60 ° and 120 °intersections for (111 ) silicon . For (100 ) -o r i e nt ed silicon wafers，two sets of fracture lines intersect at 90 °to form a grid that divides the surface into rectangular blocks with side length of from 15 to 20 μm . We think that phase explosions are responsible for t he growth of micropore structure. The fracture lines are mainly due to thermal stress. Finally，We studied t he formation of microstructures under different atmospheres，and the results show th a t it is closely related to the etching and growth ra t e.K e yw o r d s: nanosecond laser，microstructure of silicon ，phase e x p l o s i on，thermal s t ressP A C S: 79 . 20 . E b，61 . 72 . u f，68 . 37 . －d* Pro ject supported by the Scie ntific Rese rch Fund of Sich uan Pro vinc ial Ed ucation Depa rtment，China ( Grant Nos. 08 ZB006 ，09 ZA128 ) ，t he Research Fund of So uthwe st University of Sc ience and Technolo gy，Ch ina ( Grant No. 06 ZX7113 ) and the Foundation of Science and T e chn o l o gy Depatrm ent of Sich uan Province，China ( Grant N o. 07 JY029 -150 ) .Correspond ing a uthor. E-m ail: li_xh1125 @ yahoo. c o m. cn。
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线结构：激光能量的影响
平台移动速度，重复次数不变，激光能量变化
大
小
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Ti 蓝宝石激光器 中心波长 : 775nm 重复频率 : 1kHz 激光脉宽 : 150fs=150X10-15s 激光束高斯分布的线偏振光 5X 聚焦物镜 激光聚焦半径 ：11µm 三维移动平台精度 : 1.0µm
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飞秒激光的典型应用
医疗和生物工程领域 在精细医疗器件制作、激光无痛和无损伤医疗以及细胞 生物工程技术等方面具有广泛应用前景。
飞秒激光在生物降解聚合物上制成的血管支架
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实验设备
Femtosecond laser micromachining workstation (UMW 2110i series workstation, Clark-MXR, Inc., USA)
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飞秒激光在硅上微加工研究
多种激光微加工技术在MEMS、集成电 路中都有很好的应用前景：激光LIGA技术， 激光辅助沉积和刻蚀，激光立体平板印刷 术等。 飞秒激光这一新型加工方式应用于此 领域, 更受世界关注。 因此，我们将应用于 MEMS、集成电路最广泛的材料硅，作为我 们的研究对象。
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Ripples 形成过程
相同能量，不同脉冲数
N=1
N=5
N=10
N=50
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State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments
飞秒激光在硅表面微加工的研究
报告人： 耿娜 指导老师： 傅星 教授
Email：gengna1004@
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Ripples特点（1）
两种波纹： 1、方向接近垂直 2、环形区域波纹宽度比内 部波纹宽度要窄 环形区域波纹： ≈0.71µm 中部区域波纹： ≈1.5µm
飞秒激光在Si(100) 表面烧蚀 激光能流密度 0.33J/cm2 脉冲数 N=100
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线结构：各种参数优化后的结果
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复杂图形
行列间距变化，其他参数固定：
300µ m x 300µ m
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120µ m x 120µ m
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实验设备
Set-up of the system
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加工系统主要参数
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点结构总结：激光能量与烧蚀区域直径的关系
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m] Diameter D [µ
20 15 10 5 0 N=100 N=50 N=10
0
1
2
2
3
4
Laser Fluence Φ 0 [J/cm ]
Relationship between diameter of the irradiated surface and laser fluences on Silicon
飞秒激光加工的光波导
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飞秒激光的典型应用
微纳米区域的物质转移，利用飞秒激光将特定的物质“搬 移”到特定的部件上，形成极其精密的特定物质图案，如 掩模。在微电子学有着应用。
飞秒激光修复光掩模缺陷
(2) 第一行 Φ=0.30J/cm2 第二行 Φ=0.15J/cm2
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点结构：激光能量的影响
烧蚀能量越大烧蚀面积越大 N=100
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点结构：激光脉冲数的影响
激光辐照在硅（100）表面
N=1
N=10
N=50
N=100
N=200
N=500
N=1000
N=1500
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主要内容
研究背景 实验系统 实验结果及分析
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研究背景
1飞秒=10-15秒
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线结构：平台运行速度的影响
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线结构：重复加工次数的影响
平台移动速度和激光能量不变，重复加工次数改变
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实验结果及分析 不同的激光参数对加工结构的影响 加工内容：打点、刻线及复杂图案 在打点过程中发现的Ripples现象 Ripples 形成原因、形成过程及影响因 素
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实验内容及方法
点：脉冲数，激光能量 线：平台移动速度，重复次数，激光能量
复杂图形：脉冲数，平台移动速度，激光 能量，行列间距
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测试手段
利用SEM测试加工表面特征 利用AFM测试得到三维形貌特征 利用FIB得到截面特征 光学显微镜 质谱仪
6
研究背景
飞秒激光在物理、化学和生物等基础 学科和大的科学工程方面获得广泛应用。 由于它脉冲极短、峰值功率高、可以聚焦 到非常小的尺寸、去除物质的深度极浅、 持续时间短、引起的变形小等，最近几年 飞秒激光在微纳米加工方面越来越引起人 们注意，在微机械、微电子和微光学等多 个领域中获得成功应用。
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无波片
¼ 波片 450
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Questions and Answers
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10
飞秒激光的典型应用
利用飞秒激光使聚合物变形，加工成各种微型器件
飞秒激光逐点扫描法在聚合材料内部加工出的纳米牛 体长只有10微米，高7微米
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飞秒激光的典型应用
利用飞秒激光对加工对象进行局部改性，它在光通信 领域的光波导、光分束器、光耦合器、微型光栅和光 开关等微光学领域中具有广泛应用前景
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