｜飛秒雷射之透明材料內部改質應用

摘要：所謂超快雷射是指其脈衝寬度達到皮秒甚至飛秒的等級，一般當雷射功率密度大於10¹³ W/cm²，此時材料對能量吸收與雷射脈衝功率密度的n次方呈非線性關係（n=1、2、3…分別表示單光子、雙光子、三光子吸收）。本文首先介紹超快雷射非線性吸收現象，並透過電子晶格雙溫模型解釋分析在飛秒尺度下，超快雷射於透明介電材料內部之雷射退火改質特性，文章後段則主要介紹南分院雷射中心，發展飛秒雷射透明材料內部改質製程技術，並將其與台灣光電產業應用做結合，包含：Stealth Dicing、生醫材料內部3D結構製作、內部光柵、LCD亮點修補…等，以提高台灣產業的製程技術與競爭力。

Abstract: The so-called ultrafast laser means the pulse duration approaching picosecond even lower to femtosecond. Usually when laser power density is larger than 10¹³ W/cm², there is an n-order relation between the energy absorption of material and laser pulse power density. (n = 1, 2, 3 ..., respectively, single-photon, two-photon, three-photon absorption). In this article, first of all, we describe the phenomenon of ultrafast laser nonlinear absorption and explain the characteristics of the laser annealing modification in transparent dielectric material with two-temperature model of electron and lattice under ultrafast scale. The last of this article introduce the development of femtosecond laser modification inside transparent materials in Laser Application Center of South-ITRI to do with the combination of Taiwan's optoelectronics industry. Including: Stealth Dicing, Biomaterials internal 3D structure of production, internal grating, LCD bright-spot repair ... so as to improve Taiwan's industrial process technology and competitiveness

關鍵詞：飛秒雷射、透明材料、雷射退火改質

Keywords：Femtosecond Laser, Transparent Material, Laser Annealing

前言
飛秒雷射在近十幾年已經被證實，可應用於金屬、半導體、透明和有機組織等材料的加工製程上，並擁有傳統雷射所不能達到之高品質加工，相較於黃光製程、離子束或超精密工具機更具彈性且卓越。雷射退火改質（laser annealing modification）技術已習知多年，主要為藉由雷射照射並加熱材料晶格溫度，經自然冷卻產生結晶顆粒，改變其原有的材料物性，然而傳統的『長脈衝』雷射，其雷射脈衝寬度大於任何材料系統中，能量由電子傳遞至晶格的時間，因此整個系統會呈現熱平衡狀態（thermal equilibrium），一般為奈秒（nanosecond）等級或更長的脈衝寬度。由於雷射脈衝作用的時間長，因此當加熱材料晶格至融化溫度的同時，能量也不斷由雷射照射區域經熱傳導擴散至其他區域，造成加工解析度受到限制，難以達到十微米以下之等級。

相對於長脈衝，超快雷射是指脈衝寬度小於任何系統中能量釋放的時間，一般為皮秒（picosecond）或飛秒（femtosecond）等級的脈衝寬度。因此，超快雷射照射在材料表面上屬於非熱平衡狀態（non-equilibrium condition），能量由加熱電子傳至晶格的同時，雷射脈衝已結束照射，造成於照射區域內形成非常陡峭的溫度梯度，有效限制熱擴散效應區域，實現高精密度之雷射改質技術[1]。在超短脈衝雷射照射下，聚焦區域的脈衝功率密度極高，透過非線性吸收特性，可應用於玻璃、石英、晶體等對雷射波長為透明之材料進行內部加工[2、3]，非線性多光子吸收（nonlinear multi-photon absorption）特性，使得加工特徵可小於光學繞射極限。結合上述特性，將超快雷射光學特性，於材料內部進行超精密改質，此技術能廣泛應用於電子、光電、生醫等產業製程領域。工研院南分院雷射應用中心於97年在政府資源協助下，成立飛秒雷射應用實驗室，已建置高功率鈦藍寶石飛秒雷射及高重複頻率飛秒光纖雷射實驗系統，本文將介紹於透明塊材或多層透明薄膜中，使用超快雷射進行退火改質技術，於各產業中所發展出之創新應用。