飞秒激光具有脉冲宽度窄 (几个到上百个飞秒 ),峰值功率高 (最高可达到拍
瓦量级 )的特性, 从常规飞秒激光振荡器输出的激光经聚焦后可在焦点处得到
1011 — 1012W / cm2 量级的功率密度,而从飞秒激光放大器中得到的聚焦峰
值功率则可以达到 1020W / cm2,甚至可达到 1021W / cm2 。
飞秒激光微纳加工的类型
?激光烧蚀 ( ablation) 微加工
激光烧蚀利用了飞秒激光高强度和短脉冲的特点,它具有比长脉冲激
光 (如调 Q的 Nd,YAG激光 )优秀得多的加工效果
?双光子聚合 ( two photopoly2 merization)加工
双光子聚合制备三维微纳结构是飞秒激光微纳加工中最独特也是最
具有应用前景的一种方法,它的原理是利用光与物质相互作用的非线
性双光子聚合作用获得远小于衍射极限的加工尺寸
飞秒激光加工技术
飞秒激光微纳加工
双光子聚合加工
? 双光子吸收采用具有超短和超强特性的飞秒激光
作为光源
? 具有两方面的新颖特性,
① 双光子吸收是长波吸收短波发射的过程,激发光对介质
穿透率高,可有效地减少介质对激发光吸收等过程的耗
散和破坏,并能用可见光或近红外光来激励那些原本需
要远紫外光才能激发的体系
②由于材料的双光子吸收与激发光强的平方密切相关,因
而在紧密聚焦的条件下,双光子吸收仅局限在物镜焦点
处空间体积约为 λ3 (λ为入射光波长 )的小范围空间内
为何能突破衍射极限
? 光强依赖性
? 双光子聚合明显的阈值性
? 聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高
斯分布
双光子聚合加工系统
加工系统,锁模钛宝石飞秒振荡器,脉宽 150fs,中心波长 780nm,重复频
率 76MHz,激光由一个数值孔径 NA = 1,4 的物镜聚焦, 实验所用的树脂
(型号为 SCR500,由日本的 JSR公司生产 ),该树脂对近红外波长是透明的,
允许钛宝石激光入射到树脂深处
纳米牛尺度,长 10μm,高 7μm，最细微部分的尺寸为 120nm，是目前世
界上人工制作的最小动物模型。它的大小和人体红血球差不多
双光子聚合加工的应用
加工原理示意
制备纳米颗粒
? 利用溶胶 - 凝胶方法产生掺金 (Au)离子 SiO2
/TiO2 玻璃薄膜,
? 对之进行双光子吸收操作后形成了金纳米
颗粒阵列
? 掺钛 ( Ti)离子的光聚合树脂 ( urethane
acrylate)进行双光子聚合,在聚合物结构上
产生了 TiO2 纳米颗
高密度存储
? 原理一
掺杂 sp iropyran分子的聚甲基丙烯酸甲酯
( PM2MA) 是一种光反应变色材料,通过双光子
吸收过程在样品中产生折射率的改变，从而实现
高质量的微结构。
光反应变色材料的最大特点在于其光学可逆性，
利用光学辐照，可以使反应后的产物重新恢复到
反应前的状态，所以这种材料在可擦写光学信息
存储、波导写入等领域具有巨大的应用潜力
高密度存储
? 原理二
利用双光子吸收和共焦原理，三维光学高密信息存储技
术可实现在直径 120 mm、厚度 10 mm 的光盘上存储
200 GB 的数据,用并行方法读出,速度达 Gbit/ s
共焦光学系统具有三维分层扫描成像能力，有效地避免
邻层的干扰，并且与 CD 播放机有极好的兼容性，成为
重要的三维光学数据读出方法
泵浦源输出波长为 532nm 的连续光；飞秒激光器为钛 -蓝宝石飞秒激光
器，在 4.2W 泵浦源的条件下，稳定输出功率为 560mW，频率为
82MHz，波长为 796nm，飞秒激光脉宽约 30fs，单脉冲能量约 8nJ。
796nm 红外飞秒激光经过倍频器 (BBO)后波长变为 398nm 的紫
外光，倍频器的输出功率为 100mW。
国内的应用研究
聚焦离子束（ FIB ）加工
? 原理
FIB技术是利用静电透镜将离子束聚焦成极小尺
寸的显微加工技术，聚焦离子束（ FIB） 在电
场作用下可被加速或减速，以任何能量与靶材
发生作用，并且在固体中有很好的直进性；离
子具有元素性质，因此 FIB与物质相互作用时
能产生许多可被利用的效应。所以,FIB被广
泛应用在离子束曝光、注入、刻蚀、沉积、镀
膜、抛光、钻孔和研磨等领域
液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成
的离子源。液态金属离子源的基本结构如图’ 所示。目前商用 FIB 系统的
粒子束是从液态金属镓中引出，由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良
好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓
液态金属离子源结构示意图
FIB 修改过的集成电路
FIB的应用
? 集成电路芯片的修改
运用 FIB 的溅射与沉积功能，可以将某一处的连
线断开，或将某处原来不相接的部分连接起来
光学掩模缺陷修补前后比较
FIB的应用
? 光刻掩模板缺陷的修复
两大类掩模缺陷：遮光缺陷与透光缺陷
FIB的应用
? 制作透射电镜样品
无论透射电镜（ TEM） 还是扫描透射电镜（ STEM）都需要制作非
常薄的样品，以便电子能够穿透样品，形成电子衍射图像。传统
的制作 TEM样品的方法是机械切片研磨，用这种方法只能制作大
面积样品。采用 FIB则可以对样品的某一局部“切片” 观察
FIB的应用
? 多用途微切割工具
FIB像一把尖端只有数十 nm 的手术刀。任何一个部位溅
射剥离或沉积材料 。
准晶中空气孔的平均直径为 80 nm、最近邻空气孔的孔心距离
约为 170 nm,刻蚀深度约为 150 nm
瓦量级 )的特性, 从常规飞秒激光振荡器输出的激光经聚焦后可在焦点处得到
1011 — 1012W / cm2 量级的功率密度,而从飞秒激光放大器中得到的聚焦峰
值功率则可以达到 1020W / cm2,甚至可达到 1021W / cm2 。
飞秒激光微纳加工的类型
?激光烧蚀 ( ablation) 微加工
激光烧蚀利用了飞秒激光高强度和短脉冲的特点,它具有比长脉冲激
光 (如调 Q的 Nd,YAG激光 )优秀得多的加工效果
?双光子聚合 ( two photopoly2 merization)加工
双光子聚合制备三维微纳结构是飞秒激光微纳加工中最独特也是最
具有应用前景的一种方法,它的原理是利用光与物质相互作用的非线
性双光子聚合作用获得远小于衍射极限的加工尺寸
飞秒激光加工技术
飞秒激光微纳加工
双光子聚合加工
? 双光子吸收采用具有超短和超强特性的飞秒激光
作为光源
? 具有两方面的新颖特性,
① 双光子吸收是长波吸收短波发射的过程,激发光对介质
穿透率高,可有效地减少介质对激发光吸收等过程的耗
散和破坏,并能用可见光或近红外光来激励那些原本需
要远紫外光才能激发的体系
②由于材料的双光子吸收与激发光强的平方密切相关,因
而在紧密聚焦的条件下,双光子吸收仅局限在物镜焦点
处空间体积约为 λ3 (λ为入射光波长 )的小范围空间内
为何能突破衍射极限
? 光强依赖性
? 双光子聚合明显的阈值性
? 聚焦后的激光强度在空间上呈高斯或类高
斯分布
双光子聚合加工系统
加工系统,锁模钛宝石飞秒振荡器,脉宽 150fs,中心波长 780nm,重复频
率 76MHz,激光由一个数值孔径 NA = 1,4 的物镜聚焦, 实验所用的树脂
(型号为 SCR500,由日本的 JSR公司生产 ),该树脂对近红外波长是透明的,
允许钛宝石激光入射到树脂深处
纳米牛尺度,长 10μm,高 7μm，最细微部分的尺寸为 120nm，是目前世
界上人工制作的最小动物模型。它的大小和人体红血球差不多
双光子聚合加工的应用
加工原理示意
制备纳米颗粒
? 利用溶胶 - 凝胶方法产生掺金 (Au)离子 SiO2
/TiO2 玻璃薄膜,
? 对之进行双光子吸收操作后形成了金纳米
颗粒阵列
? 掺钛 ( Ti)离子的光聚合树脂 ( urethane
acrylate)进行双光子聚合,在聚合物结构上
产生了 TiO2 纳米颗
高密度存储
? 原理一
掺杂 sp iropyran分子的聚甲基丙烯酸甲酯
( PM2MA) 是一种光反应变色材料,通过双光子
吸收过程在样品中产生折射率的改变，从而实现
高质量的微结构。
光反应变色材料的最大特点在于其光学可逆性，
利用光学辐照，可以使反应后的产物重新恢复到
反应前的状态，所以这种材料在可擦写光学信息
存储、波导写入等领域具有巨大的应用潜力
高密度存储
? 原理二
利用双光子吸收和共焦原理，三维光学高密信息存储技
术可实现在直径 120 mm、厚度 10 mm 的光盘上存储
200 GB 的数据,用并行方法读出,速度达 Gbit/ s
共焦光学系统具有三维分层扫描成像能力，有效地避免
邻层的干扰，并且与 CD 播放机有极好的兼容性，成为
重要的三维光学数据读出方法
泵浦源输出波长为 532nm 的连续光；飞秒激光器为钛 -蓝宝石飞秒激光
器，在 4.2W 泵浦源的条件下，稳定输出功率为 560mW，频率为
82MHz，波长为 796nm，飞秒激光脉宽约 30fs，单脉冲能量约 8nJ。
796nm 红外飞秒激光经过倍频器 (BBO)后波长变为 398nm 的紫
外光，倍频器的输出功率为 100mW。
国内的应用研究
聚焦离子束（ FIB ）加工
? 原理
FIB技术是利用静电透镜将离子束聚焦成极小尺
寸的显微加工技术，聚焦离子束（ FIB） 在电
场作用下可被加速或减速，以任何能量与靶材
发生作用，并且在固体中有很好的直进性；离
子具有元素性质，因此 FIB与物质相互作用时
能产生许多可被利用的效应。所以,FIB被广
泛应用在离子束曝光、注入、刻蚀、沉积、镀
膜、抛光、钻孔和研磨等领域
液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成
的离子源。液态金属离子源的基本结构如图’ 所示。目前商用 FIB 系统的
粒子束是从液态金属镓中引出，由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良
好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓
液态金属离子源结构示意图
FIB 修改过的集成电路
FIB的应用
? 集成电路芯片的修改
运用 FIB 的溅射与沉积功能，可以将某一处的连
线断开，或将某处原来不相接的部分连接起来
光学掩模缺陷修补前后比较
FIB的应用
? 光刻掩模板缺陷的修复
两大类掩模缺陷：遮光缺陷与透光缺陷
FIB的应用
? 制作透射电镜样品
无论透射电镜（ TEM） 还是扫描透射电镜（ STEM）都需要制作非
常薄的样品，以便电子能够穿透样品，形成电子衍射图像。传统
的制作 TEM样品的方法是机械切片研磨，用这种方法只能制作大
面积样品。采用 FIB则可以对样品的某一局部“切片” 观察
FIB的应用
? 多用途微切割工具
FIB像一把尖端只有数十 nm 的手术刀。任何一个部位溅
射剥离或沉积材料 。
准晶中空气孔的平均直径为 80 nm、最近邻空气孔的孔心距离
约为 170 nm,刻蚀深度约为 150 nm
