第38卷第7期 光子学报 Vol, 38 No.7 2009年7月 ACTA PHOTONICA SINICA July 2009 飞秒激光在光敏玻璃上制作微凹面 巫殷忠2,王清月2,贾威2,胡明列2,柴路 (1中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) (2天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光实验室;光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072) 摘要:利用聚焦的飞秒激光(中心波长775mm、脉宽150fs)照射 FOTURAN光敏玻璃,经热处 理及浓度为8%的氢氟酸溶液室温腐蚀50min后,在 FOTURAN玻璃表面制作了微凹面.利用原 子力显微镜和扫描电子显微镜分析了微凹面的形貌,发现它具有光滑璧面和清晰边缘,直径约为几 十微米.通过分别改变入射激光的单脉冲能量(970~3250nJ)和脉冲数目(10~3000个),研究了 它们对微凹面制作结果的影响,发现了微凹面的直径随激光入射参量的饱和效应,并解释了其原 因;指出了飞秒激光在 FOTURAN上制作微结构的应 关键词:飞秒激光;微凹面;微细加工; FOTURAN玻璃;光敏玻 中图分类号:TN249 文献标识码:A 文章编号:1004-4213(2009)07-1597-5 0引言 所需的微结构 飞秒激光由于具有极窄的脉宽和极高的峰值功 FOTURAN玻璃是德国肖特玻璃公司( Schott率(可达百太瓦甚至更高).当聚焦在透明材料上时, Glass Corp.)提供的一种光敏可刻蚀玻璃,它是掺通过多光子吸收等非线性光学效应,激光焦斑的细 杂了微量金属元素银(Ag)、钟(Ce)等的锂铝硅酸小区域内将发生物理改性(如产生折射率改变或产 盐玻璃由于具有良好的光学透明度、高硬度及化学生微爆炸形成微腔等),由此可实现高准确度的三维 和热稳定性,它成为制作微光学、微机电系统微细加工,飞秒激光与透明材料作用的这种特点 (MEMS)及微流体等微细结构的良好衬底材料.在与紫外激光的线性吸收情形不同,因而人们开始尝 FOTURAN上制作微细结构的传统方法是利用试利用飞秒激光替代紫外激光,用于在透明材料上 290~330nm波段的紫外灯作为光源,透过掩模板制作微结构 Kondo等利用波长为400nm的飞秒 照射这种玻璃,经热处理和氢氟酸(HF)腐蚀后得激光在一种掺微量银和铈的光敏玻璃上演示了微细 到2. Helvajian等则利用紫外(UV)激光在小孔的加工; Cheng等人利用近红外飞秒激光作 FOTURAN表面制作了微卫星微推动器等微机械为入射光源,在 FOTURAN玻璃上演示了很多微 器件.一般认为,利用紫外光照射这种含银、铈的流体和微光学结构的制作01 光敏玻璃制作微结构,其光化学反应机理可以解释 目前,对于飞秒激光入射参量对制作结果影响 为:三价钟离子(Ce+)在受到紫外光照射后将释放的研究仍然有限本文通过改变飞秒激光的入射参 一个电子变成四价钟离子(Ce),而银离子(Ag+)量(包含单脉冲能量和脉冲数),在 FOTURAN玻 得到这个电子后被还原为银原子(Ag).在随后的热璃表面制作了微凹面并探讨了激光参量对制作结果 处理过程中,当样品被加热至500℃左右并恒温保的影响 持一定时间后,这些银原子在光照射过的区域内扩 散并在各处聚结形成纳米簇,再将样品加热至1实验步骤 600℃左右并恒温保持一定时间后,将以这些纳米 图1为飞秒激光微细加工实验装置,超快激光 族银原子为核心,生成锂硅酸盐(LO·SiO2)的微微细加工平台UMW-2110, Clark-MXR Inc.)产生 晶区域,这种在光照射区形成的微晶很容易被稀氢中心波长75m、脉宽150fs、重复频率1kHz的 氟酸水溶液腐蚀去除,因为其腐蚀速度比未照射区飞秒激光脉冲,作为加工用光源入射.入射激光平均 的腐蚀速度高20~50倍5,因而利用氢氟酸可选功率由中性衰减片调节,入射脉冲数通过计算机控 择性地腐蚀出利用光照射写制的微图形,得到各种制激光器来选择.安装在三维精密移动平台Z轴上 ¨教育部科学技术研究重大项目(10410)及天津市科技发展的20×显微物镜(数值孔径NA=0.40)将入射激光 计划科技攻关培育项目(G043103911)资助 聚焦在 FOTURAN玻璃表面(样品尺寸为10 el:0816-2494281Email:lamda99@163.com 10×3mm3).样品固定在由计算机控制的三维微位 收稿日期:2008-04-10修回日期:2008-06-04 移平台上,平台的移动准确度为0.5μm.CCD监视
第 38卷 第 7期 2009年 7月 光 子 学 报 ACTA PHoToN ICA SINICA V0lI38 No．7 July2009 飞秒激光在光敏玻璃上制作微 凹面 * 巫殷 忠 ，王清 月 ，贾威。，胡 明列 ，柴路 (1中 国工 程物 理研 究 院 激光 聚 变研 究 中 心 ，四川 绵 阳 621900) (2天津大学 精密仪器 与光 电子工程学 院超快激光实验室 ；光电信息技术科学教育部重点实验室 ，天津 300072) 摘 要 ：利 用聚焦 的飞秒 激光 (中心波 长 775nm、脉 宽 150fs)照 射 FOTURAN 光敏 玻 璃 ，经热 处 理及 浓度 为 8 的氢 氟酸溶 液 室温腐蚀 50min后 ，在 FOTURAN 玻璃 表 面制 作 了微 凹面．利 用 原 子 力显微镜 和扫 描 电子显微 镜 分析 了微 凹 面的形貌 ，发现 它具 有 光滑璧 面和 清晰 边缘 ，直径 约为 几 十微 米．通 过分 别改 变入射 激 光的单 脉 冲能量 (970~3250nJ)和脉 冲数 目(10～3ooo个 )，研 究 了 它们 对微 凹面制作 结 果的影 响 ，发现 了微 凹 面的 直 径 随激 光 入 射 参 量 的饱 和 效 应 ，并 解释 了其 原 因；指 出了飞秒激 光在 FOTURAN 上制作 微 结构 的应 用． 关键词 ：飞 秒激光 ；微 凹面 ；微 细加 工 ；FOTURAN玻 璃 ；光敏 玻璃 中图分类 号 ：TN249 文献标 识码 ：A 文章 编号 ：1004—4213(2009)07—1597—5 0 引言 FOTURAN 玻璃 是德 国 肖特 玻 璃公 司 (Schott GlassCorp．)提 供 的一 种 光 敏 可 刻 蚀 玻璃 ，它 是 掺 杂 了微 量金 属 元 素 银 (Ag)、铈 (Ce)等 的 锂 铝一硅 酸 盐 玻璃 ．由于 具有 良好 的光学 透 明度 、高 硬度 及化 学 和 热 稳 定 性 ，它 成 为 制 作 微 光 学 、微 机 电 系 统 (MEMS)及 微流体 等 微 细结 构 的 良好 衬底 材 料 ．在 FOTURAN上 制 作 微 细 结 构 的 传 统 方 法 是 利 用 290~330nm 波段 的 紫外 灯 作 为 光 源 ，透 过 掩 模 板 照射 这种玻 璃 ，经 热 处 理 和 氢 氟 酸 (HF)腐 蚀 后 得 到l】]．Helvajian 等 则 利 用 紫 外 (UV)激 光 在 FOTURAN 表面 制作 了微 卫 星 微 推 动 器 等 微 机 械 器件 ]．一般认 为 ，利 用 紫 外光 照 射 这 种 含银 、铈 的 光敏玻 璃制 作微结 构 ，其 光 化 学 反 应 机理 可 以解 释 为 ：三价铈 离 子 (Ce抖 )在受 到 紫 外光 照射 后 将 释 放 一 个 电子 变成 四价 铈 离 子 (Ce )，而 银 离子 (Ag ) 得 到这个 电子后 被还 原 为银 原 子 (Ag)．在随 后 的热 处理 过程 中 ，当样 品被 加热 至 500℃左 右并 恒温 保 持一定 时 问后 ，这 些 银 原 子 在光 照 射 过 的 区域 内扩 散 并 在 各 处 聚 结 形 成 纳 米 簇．再 将 样 品 加 热 至 600。C左 右 并恒 温 保 持 一 定 时 间后 ，将 以这 些 纳 米 簇 银原 子为 核心 ，生 成 锂硅 酸 盐 (Li。O ·SiO：)的微 晶区域．这种 在光 照射 区形 成 的 微 晶很 容 易 被 稀 氢 氟 酸水溶 液腐蚀 去 除 ，因为 其 腐 蚀速 度 比未 照 射 区 的腐 蚀速 度 高 2O～ 50倍 ]，因而 利 用 氢 氟 酸 可选 择性 地腐 蚀 出利 用 光 照射 写 制 的微 图形 ，得 到各 种 教 育 部 科 学技 术研 究 重 大 项 目(10410)及 天 津 市科 技 发 展 计 划科 技 攻 关培 育 项 目(G043103911)资 助 Tel：0816—2494281 Email：lamda99@ 163．com 收 稿 日期 ：2008—04—10 修 回 日期 ：2008—06—04 所 需 的微结 构 ． 飞秒激 光 由于具 有极 窄的 脉宽 和极 高的峰 值功 率 (可 达百 太瓦甚 至更 高 )．当 聚焦在 透 明材 料上 时 ， 通 过多光 子 吸收 等非 线 性 光 学效 应 ，激光 焦 斑 的细 小 区域 内将发 生物 理 改 性 (如 产 生 折 射率 改 变 或 产 生微 爆炸 形成 微腔 等 )，由此 可实 现高 准确度 的三 维 微细 加工 ]．飞秒 激光 与透 明材 料作 用 的这 种 特点 与紫 外激 光 的线 性 吸 收 情形 不 同 ，因而 人 们 开 始尝 试利 用飞 秒激光 替 代 紫 外激 光 ，用 于在 透 明 材 料上 制作微 结 构 ．Kondo等 利 用 波 长 为 400Dm 的飞 秒 激光在 一种 掺微 量银 和铈 的光 敏玻璃 上演 示 了微细 小 孔 的加工 _g；Cheng等 人利 用 近 红外 飞秒 激 光 作 为人 射 光 源 ，在 FOTuRAN 玻 璃 上 演 示 了很 多 微 流 体和微 光学 结构 的制 作 ”]． 目前 ，对 于 飞秒 激光 入 射 参 量对 制 作结 果 影 响 的研 究仍 然有 限．本 文通 过 改 变 飞 秒激 光 的入 射参 量 (包 含 单 脉 冲 能 量 和 脉 冲数 )，在 FOTURAN 玻 璃表 面制 作 了微 凹面并探 讨 了激光 参量对 制作 结果 的影 响． 1 实验步骤 图 1为 飞秒 激 光微 细 加 工 实验 装 置．超 快激 光 微 细加 工平 台 (UMW一2110i，Clark—MXR Inc．)产 生 中心波 长 775nm、脉 宽 15Of5、重 复 频 率 1kHz的 飞秒 激 光脉 冲 ，作 为加工 用光 源入 射．入射激 光平 均 功率 由中性衰 减 片调 节 ，入 射 脉 冲 数 通过 计 算 机 控 制激 光器 来选择 ．安 装 在 三 维精 密 移 动平 台 Z轴上 的 2O×显微 物镜 (数值 孔径 NA=0．4O)将入 射激光 聚 焦 在 FoTURAN 玻 璃 表 面 (样 品 尺 寸 为 lOx 1O×3mm。)．样 品固定 在 由计 算 机控 制 的三 维微 位 移 平 台上 ，平 台的移 动准 确度 为 0．5gm．CCD 监视
1598 光子学报 38卷 Iluminating light CCD 775nm. 150fs 1kHz Femtosecond laser Nd filter (a)Optical micrograph 3-D translation stage 图1飞秒激光黴细加工实验装置 Fig. 1 Experimental setup of femtosecond laser 系统将激光照射过程实时显示在计算机屏幕上 2000 微凹面的制作过程分为三步,首先用聚焦的飞 10.0 30040.0μr 秒激光照射样品表面,使照射区发生光化学反应而 得到潜在改性区然后将样品放在加热炉内进行热 处理,照射区发生晶化形成易溶于氢氟酸的微晶区 域(以银原子为核心的锂铝硅酸盐).热处理的具体 过程为:先以5℃/min的速度将激光照射后的样品 加热至500℃,恒温保持1h后,再以3℃/min的速 度加热至605℃,恒温保持1h时,然后让样品自然 图2用脉冲能量为2500n的20个聚焦脉冲照射后,在 FOTURAN表面制作的典型微凹面 冷却至室温.最后将样品浸没在浓度为8%的氢氟Fig.2 A typical micro-concave-surface fabricated on 酸溶液中室温下腐蚀50min,腐蚀过程在超声池中 Foturan glass by 20 focused pulses irradiation 进行,腐蚀完成后用去离子水清洗样品,并用氮气 (pulse energy 2 500 n]) 吹干 另外,实验中发现 FOTURAN玻璃经飞秒激 光照射及热处理后,照射区周围形成的晶化区域的 2实验结果 几何尺寸相比于激光聚焦光斑有所扩展这是由于 为了研究激光入射参量对制作结果的影响,实在样品的热处理过程中,银原子在照射区域周围扩 验中改变人射到 FOTURAN玻璃表面的脉冲数 散开来,并在相应位置以它为核心形成晶化区域 (10~3000)及单脉冲能量(970~3250nJ),在玻璃 为确定入射单脉冲能量对制作微凹面的影响 表面制作了微凹面,并用原子力显微镜(AFM,以恒定的入射脉冲数(20个)及五种不同的单脉冲 能量(970、1700、2130、2500、3250n)入射至 Digital Instruments)和扫描电子显微镜(SEM, FOTURAN表面,经热处理及氢氟酸腐蚀过程后 HITACHI X-60)分析了微凹面的形貌 图2给出了制作的典型微凹面,它是利用20个制作了如图3的微凹面(SEM以30°的倾斜角度拍 聚焦脉冲(单脉冲能量为2500mJ)入射至 摄,图片左上角的尺寸代表微凹面在表面的直径 FOTURAN玻璃表面,经实验步骤的热处理及氢氟从图中可以看到,微凹面的璧面光滑且边缘清晰用 酸(HF)腐蚀过程后得到图2(b)显示微凹面具有M测量它们的直径后发现:当入射脉冲数固定 光滑的璧面,这点还可以从后面的SEM分析图片时,微凹面的直径随着入射单脉冲能量的增加而增 中观察到由于激光照射区域经热处理后形成的晶大,而后趋于饱和这是由于高能量入射情形下,照 化区域比未受激光照射的区域更易被HF酸选择性射区内光强更高,诱导的光化学反应更完全(充分消 腐蚀而去除,其腐蚀速度相差几十倍,因此当HF酸耗Ag2),因而热处理后在照射区周围生成的微晶 腐蚀至晶化区域与未照射区的分界处时,腐蚀速度区域也不再明显扩展实验中未观察到用脉冲能量 明显下降,从而保证仅晶化区域被主要腐蚀腐蚀液970nJ入射制作的微凹面,是由于此能量下入射诱 的过度腐蚀现象(扩散作用)较微弱,因而腐蚀后得导的潜在改性区太微弱,腐蚀后得到的结果与未照 到的微凹面保留了晶化区域原来的形貌 射区的腐蚀形貌差别不明显而未被观察到
光 子 学 报 图 1 飞 秒 激 光微 细加 工 实验 装 置 Fig．1 Experimentalsetupoffemtosecondlaser micromachining 系统 将激光 照射 过程 实时显示 在计 算机 屏幕上 ． 微凹面的制作过程分为三步．首先用聚焦的飞 秒激 光照射 样 品表 面 ，使 照射 区发 生光 化 学 反应 而 得到 潜在 改性 区．然 后 将 样 品放 在加 热 炉 内进行 热 处 理 ，照 射 区发 生 晶化 形 成 易溶 于 氢 氟酸 的微 晶 区 域(以银原子为核心的锂铝硅酸盐)．热处理的具体 过程 为 ：先 以 5℃／min的速度 将激光 照射 后 的样 品 加热 至 500℃，恒 温保持 1h后 ，再 以 3℃／min的速 度 加热 至 605。C，恒 温保持 1h时 ，然后让 样 品 自然 冷却 至 室温．最 后将 样 品浸 没 在 浓度 为 8％ 的氢 氟 酸溶 液 中室温 下腐蚀 50rain，腐蚀 过 程 在超 声池 中 进行 ，腐蚀 完 成 后 用 去 离 子 水 清 洗 样 品 ，并 用 氮 气 吹干． 2 实验 结 果 为 了研 究激 光 入 射参 量 对制 作结 果 的影 响 ，实 验 中改 变 入 射 到 FOTURAN 玻 璃 表 面 的 脉 冲 数 (1O～3ooo)及单脉 冲能 量 (970~3250nJ)，在 玻璃 表 面 制 作 了 微 凹 面 ，并 用 原 子 力 显 微 镜 (AFM ， DigitalInstruments)和 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM ， HITACHIX一60)分析 了微 凹面 的形 貌． 图 2给 出了制作 的典 型微 凹面 ，它 是利 用 20个 聚 焦 脉 冲 (单 脉 冲 能 量 为 2 500 nJ)入 射 至 FOTURAN 玻璃表 面 ，经实验 步骤 的热 处理 及 氢氟 酸 (HF)腐蚀 过 程后 得 到 ．图 2(b)显 示微 凹 面具 有 光 滑 的璧 面 ，这 点 还 可 以从 后 面 的 SEM 分 析 图 片 中观 察到．由于 激光 照 射 区域 经 热处 理 后 形 成 的 晶 化 区域 比未 受激 光照射 的 区域 更 易被 HF酸选择 性 腐 蚀 而去除 ，其腐 蚀速 度相差 几 十倍 ，因此 当 HF酸 腐蚀至晶化区域与未照射 区的分界处时 ，腐蚀速度 明显 下降 ，从 而保 证仅 晶化 区域被 主要腐 蚀 ，腐 蚀液 的过 度腐蚀 现象 (扩散 作 用 )较微 弱 ，因而 腐蚀 后 得 到 的微 凹面保 留了晶化 区域原 来 的形貌 ． 2000 0 2000 (a)opticalmicrograph 广 ． ＼＼＼—／ ■ (b)AFM mierograph 图 2 用脉冲能量为 2500nJ的 20个聚焦脉冲 照射后 ，在 FOTURAN表面制作的典 型微 凹面 Fig．2 A typicalmicro—concave-surfacefabricated on FOTURAN glassby20 focused pulsesirradiation (pulseenergy2500nJ) 另 外 ，实 验 中发 现 FOTURAN 玻 璃 经 飞秒 激 光照射及热处理后 ，照射区周 围形成 的晶化区域的 几 何尺 寸相 比于激 光 聚焦 光 斑 有所 扩 展．这是 由于 在 样 品的热处 理过 程 中 ，银 原 子 在 照射 区 域周 围扩 散 开来 ，并 在相 应位 置 以它 为核心形 成 晶化区域 ． 为确定入射单脉冲能量对制作微凹面的影响， 以恒定的入射脉 冲数(20个)及 五种不同的单脉 冲 能 量 (970、1700、2 130、2 500、3250 nJ)入 射 至 FOTURAN表 面 ，经 热 处 理 及氢 氟 酸 腐 蚀 过 程 后 ， 制 作 了如 图 3的微 凹 面 (SEM 以 3O。的倾 斜 角 度拍 摄 ，图片左上 角 的尺 寸代 表 微 凹 面在 表 面 的直 径 )． 从 图 中可以看 到 ，微 凹面 的璧 面光 滑且边 缘清 晰．用 SEM 测量 它 们 的直 径 后 发 现 ：当入 射 脉 冲 数 固定 时 ，微 凹面 的直径 随着 入射 单 脉 冲 能量 的增 加而 增 大 ，而后 趋 于饱 和．这 是 由 于高 能 量入 射 情形 下 ，照 射 区 内光 强更 高 ，诱 导 的光 化学 反应更 完全 (充分消 耗 Ag )，因而 热处 理 后 在 照 射 区 周 围生 成 的微 晶 区域也不 再 明显扩 展．实 验 中未 观 察 到用 脉 冲 能量 970nJ入射 制作 的微 凹面 ，是 由 于此 能量 下 入 射诱 导 的潜 在改性 区太 微 弱 ，腐蚀 后 得 到 的结 果 与 未 照 射 区 的腐 蚀形 貌差 别不 明显 而未 被观察 到． 一 暑u／5Is lB蠢 I10 ∞
7期 巫股忠,等:飞秒激光在光敏玻璃上制作微凹面 1599 FOTURAN,经热处理及氢氟酸腐蚀过程后,在表 面制作了微凹面图4给出了制作的微凹面的SEM 分析图(以30°的倾斜角度拍摄图片左上角的尺寸 代表微凹面在表面的直径).从图中可以看到:当人 射单脉冲能量固定时,微凹面的直径开始时随着入 (a)l700nJ 射脉冲数的增加而增大,而当入射脉冲数增加到几 百个时,其直径增大的速度明显减慢,产生了饱和 效应 单个飞秒激光脉冲入射至 FOTURAN玻璃上 时,发生的光化学反应很微弱,远未能充分消耗照射 区的银离子,使热处理后引起的晶化区域极其有限 腐蚀后在照射区得到的结构变化也由于太微弱,与 周围未照射区腐蚀后的形貌无明显差别而变得难于 图3用相等的脉冲数目(20个)和不同的单脉冲能量 入射后制作的微凹面的SEM图片 分辨随着入射脉冲数目的增加,由于累积的效应, Fig 3 SEM micrographs of micro-concave-surfaces 照射区域产生更多的自由电子,不断地消耗银离子, fabricated with identical number of pulse shots(20)使得热处理后的晶化区域也随之扩大,从而使得腐 d different pulse energies 蚀后区域的尺寸也随着入射脉冲数目的增加而增 为确定入射脉冲数对制作微凹面的影响,利用大但当照射区的银离子耗尽时,出现饱和效应,腐 恒定的入射单脉冲能量(1400aJ)及不同的脉冲数蚀后的区域不再显著增大 目(10、20、100、200、1000、3000个)入射至 3讨论 利用飞秒激光在 FOTURAN上制作微结构的 原理,一般认为:聚焦的飞秒激光照射 FOTURAN 表面后,被照射区发生光化学反应,产生自由电子 这些自由电子将银离子(Ag+)还原为银原子(Ag), 从有形成含有银原子的潜在改性区域.经热处理后 潜在改性区转变成以银原子为核心的易溶于氢氟酸 (HF)的锂硅酸盐(Li2O·SiO2)微晶区域.经氢氟酸 腐蚀后,微晶区被去除而形成微结构.至于飞秒激光 诱导 FOTURAN产生自由电子的光化学反应机 理,有人在对比了紫外激光和飞秒激光入射的情形 后,提出了 FOTURAN对飞秒激光的六光子吸收 模型,认为自由电子是通过两步过程而产生:首先价 (c)100 带电子在吸收三个光子后(光子能量1.60eV),被 激发至缺陷能级(由玻璃内杂质和缺陷决定);这些 电子再吸收三个光子后,被激发至导带成为自由电 子.虽然目前对自由电子的产生机理尚无统一确 切的解释,但这个模型提供了较直观而清晰的物理 图形,易被人们接受.飞秒激光的极高峰值功率,使 W—14a 得 FOTURAN内的这两步非线性光学效应过程容 易实现 图4用相同的单脉冲能量(1400mJ)和不同的脉冲数 FOTURAN玻璃被聚焦的飞秒激光曝光在焦 入射后制作的微凹面的SEM图片 点处发生多光子吸收需要满足一定的阈值.聚焦光 Fig. 4 SEM micrographs of micro-concave-surface fabricated with identical single pulse energy 束横截面内光强的高斯分布,使得只有光斑中心附 (1400 n)and different number of pulse shots 近的光强能达到产生多光子吸收的阙值条件,这减 小了激光曝光后潜在改性区域横向尺寸;而聚焦光
7期 巫殷忠 ，等 ：飞秒激光在光敏玻璃上制作微 凹面 ■I (d)200 (e)1000 图4 用相 同的单脉冲 能量(1400nJ)和 不同的脉冲数 入射后制作 的微 凹面的 SEM 图片 Fig．4 SEM micrographsofmicro—concave—surfaces fabricatedwith identicalsinglepulseenergy (1400 nJ)anddifferentnumberofpulseshots FOTuRAN，经 热 处 理 及 氢 氟 酸 腐 蚀 过 程 后 ，在 表 面制作 了微 凹面 ．图 4给 出了制 作 的微 凹面 的 SEM 分析 图(以 30。的倾 斜 角度 拍 摄 ，图片 左上 角 的尺 寸 代表 微 凹面在 表 面 的直 径 )．从 图 中可 以看 到 ：当 入 射单 脉 冲能量 固定 时 ，微 凹面 的直 径 开 始 时 随着 入 射脉冲数的增加而增大，而当入射脉 冲数增加 到几 百个 时 ，其 直 径 增 大 的速 度 明 显 减 慢 ，产 生 了饱 和 效 应． 单 个飞 秒激 光 脉 冲入 射 至 FOTURAN 玻 璃 上 时 ，发生 的光 化学反 应很 微弱 ，远 未能充 分 消耗照 射 区的银离 子 ，使 热处 理后 引起 的 晶化 区域极其 有 限． 腐蚀 后在 照射 区得 到 的 结 构变 化 也 由于 太微 弱 ，与 周 围未照 射 区腐 蚀后 的形 貌无 明显 差别 而变得 难 于 分辨．随着入射脉冲数 目的增加 ，由于累积的效应 ， 照 射 区域产 生更 多 的 自由电子 ，不断地 消耗 银离 子 ， 使 得热 处理 后 的晶化 区域 也 随 之 扩 大 ，从 而使 得 腐 蚀 后 区域 的 尺 寸 也 随 着 入 射 脉 冲数 目的增 加 而 增 大 ．但 当照射 区 的银 离 子 耗尽 时 ，出 现饱 和 效 应 ，腐 蚀后 的区域不 再显 著增 大． 3 讨 论 利用 飞秒激 光 在 FOTURAN 上 制 作 微 结 构 的 原理 ，一般 认 为 ：聚焦 的 飞秒 激 光 照射 FOTURAN 表面后 ，被 照射 区发 生光 化 学 反 应 ，产 生 自由 电子． 这 些 自由电子将银 离 子 (Ag )还原 为 银 原子 (Ag)， 从 有形成 含 有银原 子 的潜在 改性 区域 ．经热 处理 后 ， 潜 在改性 区转变成 以银 原子 为核 心 的易溶 于氢 氟酸 (HF)的锂硅 酸盐 (LiO ·SiO。)微 晶区域．经氢 氟酸 腐蚀 后 ，微 晶区被 去除 而形 成微结 构．至于 飞秒激 光 诱 导 FOTURAN 产 生 自 由 电 子 的 光 化 学 反 应 机 理 ，有 人 在对 比 了紫外 激 光 和 飞 秒 激光 入 射 的情形 后 ，提 出 了 FOTURAN 对 飞 秒 激 光 的六 光 子 吸 收 模 型 ，认 为 自由 电子是通 过两 步过 程而 产生 ：首先 价 带 电子在 吸收 三 个 光 子 后 (光 子 能 量 1．6OeV)，被 激发 至缺 陷能级 (由玻 璃 内杂 质 和 缺 陷决 定 )；这些 电子再 吸 收三个 光 子 后 ，被激 发 至导 带 成 为 自由 电 子 ]．虽 然 目前 对 自由 电子 的产 生 机 理 尚无 统 一确 切的解 释 ，但这个 模 型 提 供 了较 直 观 而 清 晰 的 物理 图形 ，易被人 们接 受 ．飞秒 激 光 的极 高 峰值 功 率 ，使 得 FOTURAN 内的这两步非线性光学效应过程容 易 实现 ． FOTURAN 玻璃 被 聚 焦 的 飞 秒 激 光 曝 光 在 焦 点处 发 生多光 子 吸 收需 要 满 足 一 定 的 阈值 ．聚焦 光 束 横截 面 内光强 的 高斯 分 布 ，使 得 只有 光 斑 中心 附 近 的光 强能 达到 产 生多 光 子 吸 收 的 阈值 条 件 ，这 减 小 了激光 曝光 后潜 在 改 性 区 域 横 向尺 寸 ；而 聚焦 光
1600 光子学报 38卷 束纵向上的瑞利长度,使曝光后潜在改性区往纵向[2] DIETRICH T R, EHRFELD W, LACHER M,cat 深度方向上扩展.光束的以上分布特点使得样品被 fo 它曝光并腐蚀后应得到深度较大的微凹面.在本文 photoetchable glass[J]. Microelectronic Engineering, 1996,30 (4):497-504 的实验中,飞秒激光被聚焦在样品的表面,使样品在3 HELVAJIAN H. FUQUA P D, HANSEN Ww,ea.Lser 纵向上得到的曝光作用有限.另外,当激光入射参量 microprocessing for nanosatellite microthruster applicat (脉冲能量和脉冲数)达到一定的累积能量后使曝光 . RIKEN Review,2001,32(1):57-63 区发生饱和效应,这也限制了曝光后潜在改性区在1 MASUDA M,su0okAK, CHENG Y.ea.3D 纵向上深度的扩展,因为微凹面的深度主要由入射 microstructuring inside photosensitive glass by femtosecond laser excitation [J]. Appl Phys A, Materials Science 脉冲数和单脉冲能量共同决定.人射脉冲数越多,单 Processing,2003,76(5):857-860 脉冲能量越大,照射区域沉积的累积曝光能量就越[5] HONGO T. SUGIOKAκ,№INoH,rtal. Investigation of 多,形成更大的潜在改性区,热处理过程中形成的晶 photoreaction mechanism of photosensitive glass [J].J of 化区域也随之扩展,从而在腐蚀后得到的微凹面的 深度和直径都更大然而,当照射区沉积的累积能量6] DAVIS K M, MIURA K, SUGIMOTO N,eta. Writing waveguides in glass with a femtosecond laser [JJ. Op! Letr 使得银离子被充分消耗后,晶化区不再明显增大,即 达到饱和现象 [7] GLEZER E N, MILOSAVLJEVIC M, HUANG L, et al. 未经飞秒激光照射的玻璃区域仍然保持其高硬 Three-dimensional optical storage inside transparent material 度和耐酸碱腐蚀的特性,在被稀HF酸溶液腐蚀时 J]. Opt Lett,1996,21(24):20232025 其腐蚀速度比经过照射形成的晶化区域的腐蚀速度 [8] MA Lin, SHI Shun-xiang, CHENG Guang-hua, et al. Multiple 低得多,使通过选择性腐蚀制作得到的微凹面具有 micro-explosions induced by a single focused femtosecond pulse in glass[JJ. Acta Photonica Sinica, 2007, 36(7): 1187-1190 清晰的边缘和光滑的璧面 马琳,石顺祥,程光华,等.单个飞秒激光脉冲在玻璃内部产生 利用飞秒激光照射 FOTURAN制作的光滑微 多次微爆的研究[门.光子学报,2007,36(7):1187-19 凹面,可尝试用于微光学或微机电系统(MEMS)器9] KONDO Y,QUJ, MITSUYU T,rta. Three-dimensional 件中,作为凹面反射镜(在微凹面上镀反射膜).目前 redrilling of glass by multiphoton process and chemical 制作的微凹面的表面粗糙度仍有待提高,可通过优 etching[J]. Japan Journal of Applied Ph ysics, Part2.199 38(10A):L1146-1148 化激光入射参量、腐蚀后二次热处理等措施 [10] SUGIOKA K, CHENG Y, MIDORIKAWA K.Three 4结论 dimensional micromachining of glass using femtosecond laser for lab-on-a chip device manufacture [J]. Appl Phys A 利用聚焦的飞秒激光照射,在光敏玻璃 Materials Science & Processing,2005.81(1):1-10 FOTURAN表面制作了璧面光滑且边缘清晰的微HEN￥:1SN1soo0Axc lubrication of 3D 凹面,摸索了微凹面的直径与入射激光参量的关系, microoptical lenses in photosensitive glass using femtosecond laser micromachining [J]. Appl Ph ys A: Materials Science & 为今后制作具有合适尺寸和良好璧面质量的微凹面 Processing,2006,85(1):11-14. 时提供了借鉴.飞秒激光作为一种新型的加工工具,[12]HEFe, CHENG Ya, Femtosecond laser micromachining 与透明材料间通过多光子吸收等非线性效应,提供 frontier in laser precision micromachining[J]. Chinese Journal 了在透明材料上制作功能微结构的新手段,这些微 何飞,程亚,飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿 结构可应用于微光学、微机械及生物医学分析器件 「J].中国激光,2007,34(5):595-622 参考文献 [13 FISETTE B, MEUNIER M.Three-dimensional [1] HULSENBERG D, BRUNTSCH R SCHMIDT K, et microfabrication inside photosensitive glasses by fete earbeitung von gotoempfindlichem Gla serLJ] J Laser Micro/Nanoengineering, 2006.1(1), [J. silikattechnik,1990,41(11):364-366
l600 光 子 学 报 38卷 束 纵 向上 的瑞 利长 度 ，使 曝 光后 潜 在 改 性 区往 纵 向 深 度方 向上扩 展．光束 的 以上分 布 特 点 使得 样 品被 它曝光 并腐蚀 后应 得 到 深 度较 大 的微 凹 面．在 本 文 的实验 中 ，飞 秒激光 被 聚焦在 样 品的表 面 ，使样 品在 纵 向上 得到 的曝光 作用有 限．另外 ，当激 光入射 参量 (脉 冲能量和 脉 冲数)达到一定 的累积能 量后使 曝光 区发 生饱和 效应 ，这 也 限制 了曝 光 后潜 在 改 性 区在 纵 向上深度 的扩 展 ，因 为微 凹面 的 深度 主要 由入射 脉 冲数和单 脉 冲能量共 同决定 ．入 射脉 冲数越 多 ，单 脉 冲能量越 大 ，照射 区域 沉积 的累 积 曝光 能 量 就 越 多 ，形成更 大 的潜 在改 性 区 ，热处 理过程 中形 成 的晶 化 区域也 随之扩 展 ，从 而 在腐 蚀 后 得 到 的微 凹面 的 深度 和直径 都更 大．然 而 ，当照射 区沉积 的累积能 量 使得 银离 子被 充分 消耗后 ，晶化 区不再 明显 增大 ，即 达 到饱 和现象 ． 未经 飞秒 激光 照射 的玻璃 区域仍 然保 持其高 硬 度 和耐 酸碱腐 蚀 的特 性 ，在 被稀 HF酸 溶液 腐蚀 时 ， 其 腐蚀 速度 比经过 照射形 成 的晶化 区域 的腐蚀 速度 低 得 多 ，使通 过选 择性 腐 蚀 制 作得 到 的微 凹 面具 有 清 晰 的边 缘 和光滑 的璧 面． 利用飞秒 激 光 照射 FOTURAN 制 作 的光 滑 微 凹面 ，可尝试 用 于微 光学 或 微 机 电 系统 (MEMS)器 件 中 ，作为 凹面反 射镜 (在微 凹面上 镀反 射膜 )．目前 制作 的微 凹面 的表 面粗 糙 度仍 有 待 提 高 ，可通 过 优 化激 光入射 参量 、腐蚀 后二 次热处 理等措 施|_】 ． 4 结 论 利 用 聚 焦 的 飞 秒 激 光 照 射 ，在 光 敏 玻 璃 FOTURAN 表 面制作 了璧 面 光 滑 且 边缘 清 晰 的微 凹面 ，摸索 了微 凹面 的直径 与入射 激光参 量 的关系 ， 为今 后制作 具有 合适尺 寸 和 良好璧 面质 量 的微 凹面 时提 供 了借 鉴．飞秒激 光作 为一种 新型 的加工 工具 ， 与透 明材 料间通 过 多 光子 吸收 等非 线 性 效应 ，提 供 了在 透 明材料上 制 作功 能 微 结 构 的新 手 段 ，这 些微 结构 可应用 于微 光学 、微机 械及 生物 医学 分 析器件 ． 参 考 文 献 [1] HULSENBERG D，BRUNTSCH R，SCHMIDT K，eta1． M ikromeehanisehe bearbeitung yon gotoempfindlichem Glas rI]．Silikattechnik，1990．41(11)：364366． [2] DIETRICH T R，EHRFELD W，LACHER M，eta1． Fabrication technologies for microsystem s utilizing photoetchableglass[J]．MicroelectronicEngineering，1996，30 (4)：497504． [3] HELVAJIAN H，FUQUA PD，HANSEN W W ，eta1．Laser micr()processing for nanosatellite microthruster applications [J]．RIKENReview，2001，32(1)：5763． [4] MASUDA M，SUGIOKA K， CHENG Y，et a1． 3D micr()structuring inside phot0sensitlve glass by femtosecond laserexcitation[J]．ApplPhysA：MaterialsScience & Processing，2003，76(5)：857—860． [5] HONGO T，SUGIOKA K，NIINO H，ela1．Investigationof photoreactionmechanism ofphotosensitive glass[J]．J of ApplPhys，2005，97：063517． [6] DAVIS K M，MIURA K，SUGIM()TO N，ela1．Writing waveguidesinglasswithafemtosecondlaser[J]．OptLett， l996，21(21)：1729 173l_ [7] GIEZER E N，MIIOSAVLJEVIC M，HUANG L，ela1． Threedimensionalopticalstorage inside transparentmaterials [J]．OptLett，1996，21(24)：20232025． [8] MA Lin，SHIShun—xiang，CHENG Guang—hua，eta1．Multiple micro explosionsinducedbyasinglefocusedfemtosecondpulse inglass[J]．ActaPhotonicaSinica，2007，36(7)：l187119O． 马琳，石顺祥 ，程光华 ，等．单个飞秒激 光脉冲在玻璃 内部产生 多次微爆的研究[J]．光 子学报 ，2007，36(7)：11871190． [9] KONDO Y，QIU J，MITSUYU T，ela1．Threedimensiona1 microdrilling of glass by muhiphoton process and chemical etching[J]．JapanJournalofAppliedPhysics，Part2．1999。 38(10A)：L1146—1148． [10] SUGIOKA K，CHENG Y，MID()RIKAwA K． Threedimensionalmicromachiningofglass using femtosecond laser forlab—on—achipdevicemanufacture[J]．ApplPhysA： M aterialsScience＆ Processing，2005，81(1)：1—10． L11j CHENG Y，TSA1H L，SUGlOKA K，ela1．Fabricationof3D microopticallensesin photosensitiveglassusing femtosecond lasermicromachininglJ]．ApplPhysA：MaterialsScience& Processing，2006，85(1)：11—14． [12] HE Fei，CHENG Ya．Femtosecond lasermicromachining： frontierinlaserprecisionmicromachining[J]．ChineseJournal ofLaser，2007，34(5)：595—622． 何 飞 ，程 亚 ．飞 秒 激 光 微 加 工 ：激 光 精 密 加 工 领 域 的 新 前 沿 [J]．中 国激 光 ，2007，34(5)：595—622． L13j FISETTE B， MEUNIER M． Three—dimensional microfabricationinsidephotosensitiveglassesby femtosecond laser[J]．JLaserMicro／Nanoengineering，2006，1(1)：7-11．
殷忠,等:飞秒激光在光敏玻璃上制作微凹面 1601 Micro-concave-surface Fabricated on a Photosensitive Glass by Femtosecond Laser wU Yin-zhong.2, WANG Qing-yue JIA Wei, HU Ming-lie, CHAI Lu? Physi (2 Ultra fast Laser Laboratory, School of Precision Instruments and Optoeletronics Engineering; Key laboratory of Optoelectronic Information Technical Science, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: Micro-concave-surfaces were fabricated on the surface of a photosensitive glass(FOTURAN) by focused irradiation of femtosecond laser with 775 nm-wavelength and 150 fs-pulse duration),heat treatment and wet chemical etching in 8% ultrasonic solution of hydrofluoric acid(HF) for 50 minutes at room temperature. The morphologies of the micro-concave-surfaces were analyzed by atomic force microscope(AFM) and scanning electron microscope (SEM). The analysis indicates that the micro- concave-surfaces have smooth wall, clear edge, and are several tens of microns in diameter. By varying the incident single pulse energy (from 970 to 3 250 nJ)and number of pulses from 10 to 3 000 shots) nfluences of these two laser parameters on the fabrication results were characterized. The diameters of micro-concave-surfaces were found to saturate with these two incident parameters, and the reason was given. And, applications of mcirostructures fabricated on FOTURan by femtosecond laser were pointed out Key words: Femtosecond laser; Micro-concave-surface; Micromachining, FOtuRan glass; Photosensitive wU Yin-zhong was born in 1980. He received Ph. D. degree from Tianjin University China, in 2008. Now he works with China Academy of Engineer Physics in Mianyan Sichuan province and his research focuses on laser material processing
巫殷 忠，等 ：飞秒 激光 在光 敏玻 璃上制作微凹面 16O1 M icr0一c0ncave—surface Fabricated on a Ph0t0sensitive Glassby Fem tosecond Laser W U Yin—zhong～，W ANG Qing—yue ，JIA W ei。，HU Ming—lie，CHAILu。 (1ResearchCenterofLaserFusion，ChinaAcademyof EngineerPhysics，Mianyang，Sich 621900。Chin) (2UltrafastLaserLaboratory，SchoolofPrecisionInstrumentsandOptoeletronicsEngineering；KP L口borat0 fOptoelectronicInformation TechnicalScience，M inistryofEducation，TianjinUniversit ，Tin ji 300072，Chi口) tact：M icro—concave—surfaceswere fabricated on thesurfaceofa photosensitiveglass (FOTURAN ) bv sed irradiation of femtosecond laser (with 775 nm—wavelength and 150 fs-pulse duration)，heat ：mentand wetchemicaletching in 8 ultrasonicsolution ofhydrofluoricacid (H F)for50 m inutesat 1 temperature． The m orphologies of the micro—concave—surfaces were analyzed bv atOmic force oscope (AFM ) and scanning electron microscope (SEM )． The analysis indicates that the micro— ave—surfaceshavesmooth wall，clearedge，and are severaltensofmicronsin diameter． By varying the entsingle pulse energy (from 970 to 3 250 nJ) and num ber of pulses (from 10 to 3 000 shots)， eneesO{these two laser param eters on the fabrication results were characterized． The diameters of O-concave—surfaces were found to saturate with these two incidentparameters，and the reason was 1．A nd，applicationsofmcirostructures fabricated on FOTURAN by fem tosecond 1aser were Dointed words：Femtosecond laser；M icro—concave—surface；M icromachining；FOTURAN glass；Photosensitive wU Yin—zhong wasborn in 1980． HereceivedPh．D．degreefrom TianjinUniversity． China， in 2008． Now he works with China Academ y of Engineer Physics in M ianyan， Sichuanprovinceand hisresearch focuseson lasermaterialprocessing．
