Sistem laser in picosecunde pentru microprocesarea

materialelor CONTRACT CEEX S9/C39 « NANOLAS»,  2005-2008

Cuprins

1. Sistemul laser cu emisie in pulsuri de picosecunde dezvoltat in cadrul proiectului NANOLAS.

2. Experimente de ablatie laser pe filme subtiri de Au si Si3N4

Coordonator proiect: INFLPR Bucuresti (Director Proiect: Dr. Ion MORJAN) Parteneri: IMT Bucuresti

PRO OPTICA SA Bucuresti, Univ. Bucuresti (Fac de Fizica)

OPTOELECTRONICA-2001 S.A Bucuresti

Scopul cercetarii Dezvoltarea unui sistem laser compact in pulsuri de mare energie (mJ-zeci de mJ) cu durata de sute de picosecunde, cu emisie in IR apropiat, VIZ si UV

Aplicatii: - Micro/ nano-procesarea materialelor; - Telemetrie, LIDAR, imagini 3D, fotografie rapida;

- Monitorizarea mediului ambiant.

Laseri in picosecunde oferiti comercial- Sisteme laser in regim de blocare a modurilor (mode-locking);- Sisteme laser in regim de comutare a factorului de calitate (Q-switch), cu

compresie temporala a pulsului laser.

Structura sistemului laser in picosecunde- Oscilator pilot cu rezonator microchip in regim Q-switch pasiv pompat axial cu dioda laser;- Amplificator Nd:YAG cu doua treceri pompat cu lampa flash;- Etaj de conversie neliniara a radiatiei laser fundamentale in VIZ si UV.

Configuratia sistemului laser in picosecunde

PC

Fibra optica

LBO

M1 Izolatoroptic

Microchip

ELWP

1064-nm 532-nmM2

M4

Nd:YAG

Flash

Incinta de pompaj

+

Apa deionizata

-

M5

Unitate Driver Fascicul pompaj 810-nm

M9

M3

M8 BBO

Cap Laser

CO1064-nm

Pompaj 810 nm

M6

M7

M10

MB1

MB2

D1

266-nm

532-nm

1064-nm

532-nm

E1064-nm

266-nm

D2

532-nm

Caracteristici ale sistemului laser

Lungimea de unda laser 1064-nm532-nm266-nm

Energie maxima / puls 19-mJ la 1064-nm9-mJ la 532-nm

3,5-mJ la 266-nm

Abaterea standard a puterii medii de fascicul

< 1% la 1064-nm< 2 % la 532-nm< 4 % la 266-nm

Durata pulsului 450-ps la 1064-nm

Profilul transversal de intensitate

Gaussian, dominant TEMoo la 1064-nm si 532-nm

Frec. de repetitie puls laser 1; 2; 5; 10-Hz

Factorul de merit M2 < 1,3 la 1064-nm

Diametrul de fascicul ~ 2,8 -mm

Dimensiuni: Cap laser Unitatea driver

500 x 300 x 120 mm. 525 x 395 x 480 mm

Putere max. consumata de la reteaua 220 VAC

1000 W la 10 pps.

Profilul transversal de intensitate Profilul temporal, 500-ps/cm

Caracteristici de fascicul ale oscilatorului laser

Lungimea de unda laser 1064-nm

Energie maxima / puls > 6-μJ

Abaterea standard < 1%

Durata pulsului 450-ps

Profilul transversal de intensitate Gaussian, ~ TEMoo

Frecventa de repetitie puls laser 1000-Hz

Factorul de merit M2 < 1,1

Diametrul de fascicul ~ 2,8-mm

Stabilitatea puterii medii de fascicul in armonica a patra (UV 266-nm);

energie / puls 3.2-mJ, 2-Hz, rms <1.5 % (durata masurarii 3 min.)

1064-nm, 15-mJ energie/ puls, 2-Hz frecv. de rep. 532-nm, 7-mJ energie/ puls, 2-Hz;

Profilul transversal de intensitate al fasciculului laser.

Rezolutia procesarii cu fascicule Gaussiene

ANAN

Md

2

0

2

5,0AN 20 d

4

20d

zR Rz

Cerinte pentru o procesare reproductibila cu rezolutie submicronica

- Precizie de zeci/sute de nanometri in controlul planului de focalizare si in pozitonarea probei - Stabilitatea parametrilor de fascicul laser (energie/puls, profil de intensitate)

4/

220d

EF

)/ln(2

)( 0thFF

dFd

λ = 532-nm E = 10-μJ /puls f = 75-mm 1 puls

150-nm50-μm

Film de aur # 200-nm (~ 160-nm Au + 40-nm Cr) pe substrat de siliciu

Rata de ablatie ~ 150-nm / puls

Aur # 200-nmλ = 532-nm E = 10-μJ /puls f = 75-mm 2 pulsuri

λ = 532-nm E = 10-μJ f = 75-mm 3 pulsuri

190-nm

1200-nm

Aur # 200-nmλ = 532-nm E = 10-μJ /puls f = 75-mm 3 pulsuri

Au λ = 532-nm f = 75-mm

E = 10-μJ /puls

E = 20-μJ /puls

3 pulsuri

2 pulsuri

1 puls

1 puls

2 pulsuri

3 pulsuri

Etalonarea fluentei laser in spotul focal

)/ln(2

)/ln(2

)(20

202

thth EEd

FFd

Fd

20

8

d

EF

λ = 532-nm Aur # 200-nm f = 75-mm

3,1thE μJ

μm 2/ cmJ5,0thF

5,1)532(2 nmM

260 d

1.000 2.718 7.389 20.086 54.5980

400

800

1200

d2 (

m2 )

E (J)1.000 2.718 7.389

0

200

400

600

800

d2 (

m2 )

E / Eth

D

fMd

2

0

4

280-nm200-nm

50-μm

3 3

3 pulsuri 2 pulsuri

Film de Si3N4 # 200-nm pe substrat de siliciu

λ = 266-nm E = 15-μJ /puls f = 100-mm

Rata de ablatie ~ 100-nm / puls

Si3N4 λ = 266-nm f = 100-mm 1 puls

E = 15-μJ /puls

E = 25-μJ /puls

λ = 266-nm # 200-nm f = 100-mm

7.000 19.028 51.723 140.5990

200

400

600

800

d2 (m

2 )

E (J)

1.000 2.718 7.389 20.0860

200

400

600

800

1000

1200

d2 (m

2 )

E / Eth

43 NSi

8,8thE6,250 d 4,3thF

2,2)266(2 nmM

μm 2/ cmJμJ

Etalonarea fluentei laser in spotul focal

CONCLUZII

1. Testele de ablatie efectuate pe filme subtiri de Au si Si3N4 cu pulsuri laser de picosecunde au evidentiat o procesare laser reproductibila, care probeaza stabilitatea parametrilor de fascicul si calitatea emisiei laser in IR, VIZ si UV.

2. A fost determinat pragul de ablatie al filmelor procesate:- Au: 0,5 J/cm2 la lungimea de unda de 532-nm;- Si3N4: 3,4 J/cm2 la 266-nm.

3. Tipuri de microprocesari recomandate pentru acest tip de sursa laser:- Ablatia materialelor: metale, filme subtiri, siliciu, materiale ceramice;- Nanostructurarea filmelor subtiri si a suprafetelor.