相关知识及激光微细加工概述.PDF

第一章 相关知识及激光微细加工概述 §1 .1 相关的物理化学知识 1 .1 .1 热化学、光化学与反应速率 激光微细加工 中往往伴有光化学反应和光热反应 , 这主要是 根据激光在加工过程 中所起的作用来 区分的。如果在加工过程 的 反应中激光主要起了热作用 , 则属于光热反应 , 如果激光起 了光化 学的作用 , 则属于光化学反应 。一些激光微细加工过程属于热化 学过程或光化学过程 。 值得一提的是, 热化学和光化学是完全不同的化学领域 , 但就 其化学反应本身来说, 热化学反应和光化学反应有相 同之点, 也有 不同之点。相 同之点在于热化学反应和光化学反应都可 以应用反 应分子中电子的再结合来解释化学反应等。不 同之 点在于热化学 反应中分子的 电子状态和光化学反应 中激发分子 的 电子状态不 同, 因而所造成 的化学反应 能力也不 同。热化学反应 总是使体系 的自由能降低 , 光化反应总是使体系的 自由能增加 , 植物的光合作 用就是光化学反应使 自由能增加的例子。 光化学反应往往包括一系列过程 , 它 以光 吸收 的引发作用为 开端 , 以生成通常与反应物不同的稳定分子而告终。 我们可 以把这一连 串的光化学过程分为初级过程和次 级过 程 。所谓初级过程 , 是指分子光 吸收 的原始行为和最初形成 的 电 — 1 — 子激发态所立即发生的各步骤[ 1 .4 ] 。次级过程 则包括 原子反应和 基团反应 , 这些原子和基 团是在初级过程 中直接从受激分子产生 的, 或者是受激分子与同类( 或异类) 分子碰撞产生的。 初级光化学反应的速度 常数与热化学反应一样 , 随温度变化 而变化 , 同样满足 Ar r h eniu s 方程 K = A exp ( - Ea/ R T ) ( 1 .1 .1) 式中 K 为速度常数 ; A 为常数 ; Ea 为活化能; R 为气体常数。 在热化学反应中, 分子依靠从环境 吸收热量而活化 , 由活化分 子间的碰撞 克服反应活化 能势垒而发生反应 , 因此活化能较大。 在光化学反应中, 分子通过吸收一定波长的光而激活, 分子发生反 应时的活化能一般较小; 因而热化学反应速度 受温度 的影响 比光 化学反应受温度的影响大, 更重要的还在于, 由于光化学反应中的 Ea 较小, 因而可 以在较低的温度得到较高的反应速率。例如, 在激 光化学分解 的激 光淀 积 中可 以实 现低 温淀 积 就正 是 基于 这 一 原理。 1 .1 .2 高斯光束及其聚焦 在微细加工过程 中, 常常 需要借助于一定 的光学系统对 高斯 光束作适当的变换。这里就高斯光束及其变换作一简单介绍。 ( 一) 高斯光束 由光腔理论可 以导出, 稳定腔辐射场的分布是高斯 型的, 具体 地说, 其 电场分布可 以写为 2 2 w0 2 x 2 y x + y E = E0 ( ) Hm ( ) H n ( ) exp - 2 w w w w ( x2 + y2 ) ×exp - i kz + φ+ k ( 1 .1 .2 ) 2 R 式中 z 为纵向坐标 , x 、y 为横 向直角坐标 ; m 、n 为横模标码 , Hm 、 — 2