飛秒激光器的應(yīng)用場景
發(fā)布時間：2021-02-03 11:17
眾所周知，物質(zhì)是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在快速地運(yùn)動著，這是微觀物質(zhì)的一個非常重要的基本屬性。飛秒激光器的出現(xiàn)使人類diyi次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動過程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光器的應(yīng)用場景在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。由于飛秒激光器具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。
在材料加工領(lǐng)域，飛秒激光器被認(rèn)為是優(yōu)于納秒激光器的新工具，飛秒秒脈沖的使用減少了材料的熱損傷，飛秒激光器頻率與能量的關(guān)系從而使激光能夠更廣泛地滲透到制造業(yè)領(lǐng)域，例如用于打標(biāo)、鉆孔和切割。
盡管如此，由于飛秒激光技術(shù)的特性及其對材料加工的顯著改進(jìn)，使得飛秒激光器在許多應(yīng)用中已經(jīng)成為“必須”的工具。IMRA America公司在2002年首次生產(chǎn)出用于材料加工的微焦量級的商業(yè)化飛秒FCPA激光器。[2]基于光纖技術(shù)，F(xiàn)CPA成為構(gòu)建高峰值功率、高平均功率和高脈沖能量飛秒激光器的常用手段。
大體上說，飛秒脈沖激光器對熱影響區(qū)（HAZ）減少的水平，是其他激光器無法比擬的。接近手術(shù)水平地將能量輸送到工件，為FCPA在精密消費(fèi)電子零件制造（包括顯示器行業(yè)）領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。
飛秒激光器的應(yīng)用場景在切割硅晶圓方面的應(yīng)用一直備受關(guān)注，因?yàn)轱w秒激光脈沖的高峰值功率，可用于消融硅晶圓和其他沉積在硅晶圓表面的材料，并且對相鄰組件的影響或熱損傷最小。通常，這些硅晶圓預(yù)先配置了切割通道。這些通道也用于芯片分割之前的探測和測試。因此，切割通道填充有傳感器和探測點(diǎn)。在這種情況下，飛秒光束用于去除那些附加的表面層，同時支持硅晶圓的隱形切割。由于飛秒激光脈沖在堅(jiān)硬、透明藍(lán)寶石襯底中獨(dú)特的強(qiáng)非線性吸收，飛秒激光器也是從藍(lán)寶石晶圓中分離出高亮度LED芯片的理想選擇。
飛秒激光器為了能產(chǎn)生激光，就必須使受激輻射強(qiáng)度超過受激吸收強(qiáng)度，即使高能態(tài)的原子數(shù)多于低能態(tài)的原子數(shù)。這種不同于平衡態(tài)粒子分布的狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。也就是，飛秒激光器要產(chǎn)生激光，必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的一個必要條件，而要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和產(chǎn)生激光還必須滿足三個條件：
①要有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，即激活介質(zhì)（這類物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)）；
?、谝斜匾哪芰枯斎胂到y(tǒng)給激活介質(zhì)能量，使盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這一系統(tǒng)稱作激勵能源（或泵浦源）；
?、垡泄獾恼答佅到y(tǒng)——光學(xué)諧振腔，當(dāng)一定頻率的光輻射通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)時，受激輻射的光子數(shù)多于受激吸收的光子數(shù)可使光輻射得到放大，要使這種光放大并且以一個副長光子感應(yīng)產(chǎn)生一個受激發(fā)射光子的單次過程為主，還能形成高單色性高方向性高相干性和高亮度性的光放大，必須使用光學(xué)諧振腔。
因此，常用飛秒激光器由三部分組成：激活介質(zhì)、激勵能源、光學(xué)諧振腔。
