CN104209649A - 一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法 - Google Patents

一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104209649A
CN104209649A CN201310209634.3A CN201310209634A CN104209649A CN 104209649 A CN104209649 A CN 104209649A CN 201310209634 A CN201310209634 A CN 201310209634A CN 104209649 A CN104209649 A CN 104209649A
Authority
CN
China
Prior art keywords
doping
resonance
laser
absorption
machining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201310209634.3A
Other languages
English (en)
Inventor
姜澜
曹强
房巨强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EPHOTON Co Ltd
Original Assignee
EPHOTON Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EPHOTON Co Ltd filed Critical EPHOTON Co Ltd
Priority to CN201310209634.3A priority Critical patent/CN104209649A/zh
Publication of CN104209649A publication Critical patent/CN104209649A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring

Abstract

本发明涉及一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，所述方法包括：选取实验用材料，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料；材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；材料吸收光谱的测量；波长调节***调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应；比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；利用表征方法，优化掺杂条件。本发明的有益效果为：本发明通过在宽禁带材料中进行掺杂特定杂质，产生对光子的共振吸收效果，与传统的激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率及选择性加工。

Description

一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法
技术领域
本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法。
背景技术
为提高掺杂的激光在宽禁带材料(例如玻璃、晶体、陶瓷、聚合物等)上应用的加工效率，传统的激光加工方法，均是从调节加工工具——脉冲激光光场的角度来改善加工质量与效率。事实上，在激光加工中，加工的对象——材料本身的物性，如透明材料的禁带宽度、晶体的晶格缺陷、聚合物分子的化学键等，影响对光子的吸收及相变过程，从而对加工质量与效率也会有很大影响。掺杂方法能改变材料的光吸收特性等物理特性，本发明将掺杂的方法应用到提高激光微/纳加工的加工效率和选择性加工之中。
掺杂方法能改变材料的光吸收特性等物理特性。出版于2001年10月的文献M.Quirk，J.Serda：Semiconductor Manufacturing Technology.Prentice-Hall，Upper Saddle River，NJ(2001)中，作者在半导体工艺中采用热扩散或离子注入的方式，向半导体材料的晶体结构中掺杂选定的杂质粒子，改变空穴与电子的分布，调节PN结结构，改变其电学性能。文献T.Lippert，A.Yabe，A.Wokaun：A.Adv.Mat.9，2(1997)中，作者在连续的紫外激光刻蚀聚合物材料的研究中，通过掺杂杂质可以降低激光的曝光强度，提高刻蚀效率，很好的应用于紫外曝光刻蚀中。然而掺杂的方法至今还没有应用到提高激光微/纳加工的加工效率和选择性加工之中。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选取实验用材料，实验材料分为宽禁带材料与掺杂杂质两部分，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料；
(2)材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；
(3)材料吸收光谱的测量：找出掺杂后的材料在吸收谱中共振吸收峰对应的波长，定为中心波长；
(4)波长调节***调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应；
(5)比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；以及
(6)利用表征方法，优化掺杂条件。
进一步的，步骤(1)中，所述宽禁带材料包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物。
进一步的，步骤(1)中，所述掺杂杂质包括稀土元素、氧化物和高分子。
进一步的，步骤(6)中，所述表征方法包括激光加工阈值、不同脉冲数下的加工深度或孔径面积、单位能量下的去除体积和泵浦探测。
本发明的有益效果为：本发明通过在宽禁带材料中进行掺杂特定杂质，产生对光子的共振吸收效果，与传统的激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率及选择性加工。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述的掺钕硅酸盐玻璃吸收光谱和电子跃迁能级图。
具体实施方式
本发明实施例所述的一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，所述方法包括以下步骤：
(1)选取实验用材料，实验材料分为宽禁带材料与掺杂杂质两部分，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料，所述宽禁带材料包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物，所述掺杂杂质包括稀土元素、氧化物和高分子；
(2)材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；利用光谱仪分析宽禁带材料掺杂杂质后的吸收光谱，挑选出吸收谱线明显的稀土元素或高分子等掺杂杂质，定制或制作出掺杂有不同浓度该掺杂物的选择性吸收材料；
(3)材料吸收光谱的测量：找出掺杂后的材料在吸收谱中共振吸收峰对应的波长，定为中心波长；材料对该波长光子的吸收最大(中心波长下光子能量对应为材料中原子或分子的激发共振跃迁能量)；
(4)波长调节***调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应，使单个或多个光子能量与材料的跃迁能级相等或近似相等；
(5)比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；以及
(6)利用激光加工阈值，不同脉冲数下的加工深度或孔径面积，单位能量下的去除体积，泵浦探测等表征方法，优化掺杂杂质、浓度、深度、范围等掺杂条件，提高共振加工效率。
如图1所示，激光***采用美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率1KHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。
光学参量放大器为立陶宛Light Convertion公司生产的TOPAS-C，可以把波长800nm激光脉冲在波长290-2600nm范围内连续可调。
加工对象是硅酸盐玻璃。测量普通硅酸盐玻璃的吸收光谱，其近红外到近紫外波段的吸收特性为基本不吸收。通过在普通玻璃中掺杂稀土元素钕，其近红外到近紫外波段的吸收光谱变为如图1所示高低起伏，光吸收特性大大改变，其中最高的吸收峰在586.78nm，该波长光子能量对应钕原子从基态3s23p2 1/23p3 3/23d104f5/2到某一中间激发态3s23p1/23p4 3/23d104d3/2的能级跃迁，于是在激光加工过程中当激光波长是或接近586.78nm时，材料对激光光子会进行高效率的共振吸收，从而实现高效率的共振加工。研究发现：
(1)飞秒激光脉冲数为1～1000时测量激光加工阈值，共振加工情况比非共振加工情况减少了3％-40％。
(2)当激光功率密度＜2.28×1014W/cm2时，共振加工的深孔体积比非共振加工的体积增加了1.4-4.4倍。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)选取实验用材料，实验材料分为宽禁带材料与掺杂杂质两部分，配制含有不同浓度掺杂杂质的材料；
(2)材料经局部掺杂后，对特定波长激光产生共振吸收；
(3)材料吸收光谱的测量：找出掺杂后的材料在吸收谱中共振吸收峰对应的波长，定为中心波长；
(4)波长调节***调整激光波长至此吸收峰值处，共振吸收峰应与激光波长对应；
(5)比较不同材料不同掺杂浓度下，共振加工与非共振加工之间加工速率的差异；以及
(6)利用表征方法，优化掺杂条件。
2.根据权利要求1所述的基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于：步骤(1)中，所述宽禁带材料包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物。
3.根据权利要求1所述的基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于：步骤(1)中，所述掺杂杂质包括稀土元素、氧化物和高分子。
4.根据权利要求1所述的基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法，其特征在于：步骤(6)中，所述表征方法包括激光加工阈值、不同脉冲数下的加工深度或孔径面积、单位能量下的去除体积和泵浦探测。
CN201310209634.3A 2013-05-31 2013-05-31 一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法 Pending CN104209649A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310209634.3A CN104209649A (zh) 2013-05-31 2013-05-31 一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310209634.3A CN104209649A (zh) 2013-05-31 2013-05-31 一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104209649A true CN104209649A (zh) 2014-12-17

Family

ID=52091773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310209634.3A Pending CN104209649A (zh) 2013-05-31 2013-05-31 一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104209649A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109775658A (zh) * 2019-01-22 2019-05-21 华中科技大学 一种基于可调谐激光辅助制备微纳材料的方法及***

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030143326A1 (en) * 2002-01-29 2003-07-31 Daniel Bubb Deposition of thin films using an infrared laser
JP2008062298A (ja) * 2006-09-10 2008-03-21 Ukon Llc 微細穴材の製造方法、微細穴材ならびにそれを備えた分離膜。
CN101186739A (zh) * 2006-11-22 2008-05-28 住友金属矿山株式会社 激光焊接用光吸收树脂组合物和光吸收树脂成型体以及光吸收树脂成型体的制造方法
US20090030799A1 (en) * 2007-07-25 2009-01-29 Rocks Intertainment Gmbh System comprising a consumer good and server and a method to bestow an advantage with a monetary value
WO2009030799A1 (es) * 2007-08-28 2009-03-12 Universitat De Valencia, Estudi General Método destinado a la síntesis de nanopartículas metálicas inertes
WO2009129801A1 (de) * 2008-04-25 2009-10-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum fügen von wenigstens zwei transparenten fügepartnern mittels laserdurchstrahlschweissen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030143326A1 (en) * 2002-01-29 2003-07-31 Daniel Bubb Deposition of thin films using an infrared laser
JP2008062298A (ja) * 2006-09-10 2008-03-21 Ukon Llc 微細穴材の製造方法、微細穴材ならびにそれを備えた分離膜。
CN101186739A (zh) * 2006-11-22 2008-05-28 住友金属矿山株式会社 激光焊接用光吸收树脂组合物和光吸收树脂成型体以及光吸收树脂成型体的制造方法
US20090030799A1 (en) * 2007-07-25 2009-01-29 Rocks Intertainment Gmbh System comprising a consumer good and server and a method to bestow an advantage with a monetary value
WO2009030799A1 (es) * 2007-08-28 2009-03-12 Universitat De Valencia, Estudi General Método destinado a la síntesis de nanopartículas metálicas inertes
WO2009129801A1 (de) * 2008-04-25 2009-10-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum fügen von wenigstens zwei transparenten fügepartnern mittels laserdurchstrahlschweissen

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109775658A (zh) * 2019-01-22 2019-05-21 华中科技大学 一种基于可调谐激光辅助制备微纳材料的方法及***

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fischer et al. Record efficient upconverter solar cell devices with optimized bifacial silicon solar cells and monocrystalline BaY2F8: 30% Er3+ upconverter
Yoo Reactive ion etching (RIE) technique for application in crystalline silicon solar cells
Nayak et al. Efficient light trapping in silicon solar cells by ultrafast‐laser‐induced self‐assembled micro/nano structures
Klampaftis et al. Improvement in multi‐crystalline silicon solar cell efficiency via addition of luminescent material to EVA encapsulation layer
Yoo et al. Black surface structures for crystalline silicon solar cells
JP2005191315A (ja) 光電変換装置およびその製造方法
Mohamed et al. Improvement of multicrystalline silicon solar cell performance via chemical vapor etching method-based porous silicon nanostructures
Yue et al. Antireflective nanostructures fabricated by reactive ion etching method on pyramid-structured silicon surface
CN103254495A (zh) 一种纳米银荧光增强的稀土氧化物纳米晶复合eva胶膜及其制备方法
Godin et al. Tuning Charge Carrier Dynamics and Surface Passivation in Organolead Halide Perovskites with Capping Ligands and Metal Oxide Interfaces
Gu et al. Optical characterization and photo-electrical measurement of luminescent solar concentrators based on perovskite quantum dots integrated into the thiol-ene polymer
Taniguchi et al. Glass engineering to enhance Si solar cells: A case study of Pr3+− Yb3+ codoped tellurite-tungstate as spectral converter
Huang et al. Efficiency improvement of silicon nanostructure-based solar cells
CN104209649A (zh) 一种基于掺杂的激光共振吸收高效率及选择性加工方法
US20100126586A1 (en) Photovoltaic device with space-separated quantum cutting
Yao et al. Investigation of ultrafast dynamics of CdTe quantum dots by femtosecond fluorescence up-conversion spectroscopy
Qian et al. Defect structures and optical characteristics of Er3+ ion in Er: LiNbO3 crystals
CN104007510A (zh) 一种掺铒氮化锌薄膜光波导及制备方法
Johnson et al. Up-conversion luminescence enhancement in erbium-doped porous silicon photonic crystals for photovoltaics
Baumgartner et al. Photon down-conversion in Terbium (III)-doped thin dielectric films and fluorozirconate glasses for thin film solar cells
Omar et al. Characterization of Porous Si Solar Cell
Pang et al. The structural modification of LiTaO3 crystal induced by 100-keV H-ion implantation
MacDougall et al. Broadband excitation of upconversion in lanthanide doped fluorides for enhancement of Si solar cells
Song et al. Modeling of Quantum Cutting Systems in $\hbox {Tm}^{3+}/\hbox {Yb}^{3+} $-Codoped Spectral Converters for sc-Si Solar-Cell Efficiency Enhancement
Qian et al. Upconversion for enlarging solar spectrum response in near-stoichiometric and congruent Er: LiNbO3 crystals

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20141217