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APL-3535 UV 雷射凋刻系统

UV 雷射凋刻系统

APL-3535 UV 雷射凋刻系统

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可调式脉冲紫外光雷射 (Pulsed Tunable UV Laser)
 
        质量解析临界游离以及双色共振二光子游离光谱实验需要两道可调式脉冲紫外光雷射,第一道作为激发光源,把分子自基态(S0 state)激发到第一电子激发态(S1 state),第二道则为离子化光源,把分子自第一电子激发态(S1 state)激发到离子态。因原理相同,在此以第一道可调式脉冲紫外光雷射系统为例,记述如下:
 
1、脉冲红外光雷射
 
    第一部份是固态钕钇铝石榴石雷射(Nd:YAG laser),当钕钇铝石榴石吸收脉冲的高压直流电激发氙灯所产生的强光后,其内所含的活性介质(active medium) Nd3+离子,会放出波长1064 nm的红外雷射光。利用一组光电品质调制(Q-switch),使雷射光可以叠积高能量后瞬间放出。因此氙灯和品质调制开关的时间延迟控制,为决定雷射脉冲能量(pulse energy)的重要因素之一。由实际操作的经验得到:在触动激发氙灯之后大约235微秒,再行触动品质调制,可得到最大雷射脉冲能量和最佳波形(beam profile)。
 
    基本波长1064nm经不同的HG(harmonic generator )倍频后可变成波长532、355与266nm的雷射光。以532nm倍频光为例,当1064nm雷射光通过特定入射角的第二型(Type II)的KD*P(potassium dideuterium phosphate)晶体后,即有部份的1064nm光被转变成532nm的雷射光。从HG出来的532nm倍频光与1064nm的基本波长的光同时存在,因此必需利用一组45°入射角的双色分光镜(Dichroic Beamsplitters)使此不同波长的光分离。双色分光镜上涂了一层选择性反射的物质,将特定的波长范围(含532nm)的光反射,其馀波长的光(含1064nm)则穿过镜片。进行分光出来的即为纯淨的特定波长(532nm)的雷射光,即来作用染料雷射的激发光源。本实验所用的钕钇铝石榴石雷射于1991年採购自台湾代理商惠虹公司,原厂製造商是Spectra-Physics公司(Laser Products Division, 1250 W. Middlefield Road, P.O. Box 7013, Mountain View, CA 94039-7013, Tel: (415)961-2550; Fax: (415)961-4048),产品型号为Quanta-Ray GCR-3, 脉冲频率为10 Hz, 脉冲能量为1010 mJ/pulse @ 1064 nm; 510 mJ/pulse @ 532 nm; 305 mJ/pulse @ 355 nm; 150 mJ/pulse @ 266 nm。稍早从事的团簇离子特性研究时,经由非共振多光子游离过程产生团簇离子,常用355 nm和266nm波长的雷射光。后来的研究都利用共振多光子激发暨游离过程,因此都用532nm波长的雷射光作为染料雷射的触动激发光源,此时倍频晶体通常固定在HG-2座架的II/0位置,输出的532 nm波长的雷射光呈垂直偏极(vertically polarized)。
 
2、染料雷射
 
A、基本原理
    染料雷射是被动式,需要的触动激发光源(例如532nm波长的雷射光),其活性介质即是溶于液态溶剂(例如甲醇)的染料。在此以Rhodamine 6G(也称为Rhodamine 590)染料来简述产生雷射的基本原理。分子能阶S0,S1,S2分别是其基态、第一及第二电子单重激发态,分子的自旋在激发态是antiparallel。T1和T2则为三重态,分子的电子自旋是parallel,因为不同自旋态间的跃迁是被禁止的,单重态到三重态的跃迁比较单重态-单重态或三重态-三重态较少发生。每一个电子单重态及三重态之上又有能阶差较小(100-200 cm-1)的振转能阶,每一个振动能阶又有能阶差更小(<1 cm-1)的转动能阶。如此密集的振转能阶因电子态的扰动及溶剂分子的碰撞产生光谱谱线甚宽。这样的宽谱线使染料分子的放射及吸收光谱呈连续性,因此成为可调波长的放光理想物质。
 
    从触动激发雷射光束吸收一个光子(例如532nm),在基态的染料分子被激发到第一激发(S1)态中的某一个振转能阶,在较高激发态受到溶剂分子的碰撞经非辐射的衰减到较低的能阶。经过数个柰秒(nanoseconds),染料分子藉放出一个光子来释放过多的能量,这种辐射跃迁称萤光,大部分分子会由此过程从激态S1衰减到基态S0。系统间的穿越(从单重态S1到三重态T1)也可能发生,大约需要数个微秒(microseconds)。从T1辐射跃迁到基态(放出磷光)是禁止的,其生命期在微秒到毫秒(milliseconds)之间,所以三重态T1就好像抓住激态分子似的,使得染料的效率降低。在三重态的部分进一步减少染料的效率尚有从T1到T2或更高的三重态的自旋允许跃迁,这些过程都会吸收激发雷射光,减低了产生萤光的效率。
 
B、染料雷射的结构
      本实验所用的染料雷射原厂製造商是Spectra-Physics公司,产品型号为Quanta-Ray PDL-3,提供可调雷射光范围从380到960nm,透过MCI-2的界面及驱动光栅步进马达的功能,可使我们以电脑和自动化程式自远端控制染料雷射输出的波长。
染料雷射的标准结构含分光、聚焦(focus)、振盪、放大、光栅等光学元件及染料循环系统,当532nm的雷射光束被引入时,一小部(大约10%)的激发光源被分出,以柱型聚焦镜片(cylindrical lens)聚焦后,用来激发振盪(oscillator)染料皿中的染料分子,其馀的(大约90%)激发光束被延迟一段时间(大约3ns)后激发放大(amplifier)染料皿中的染料分子。振盪腔部分尚含一个精密的单色光器结合个增益的介质、输出的镜片(output lens)、six-prism expender 及 一个4吋长的光栅。这种设计对只用一个光栅的系统可提供高效率、更宽的可调范围、及更窄的输出光波长。光栅具有分光功能,受激发所放出含一段波长范围的光经six -prism expender 发散光束照在光栅表面的刻纹上,在特定光径只收集到反射出特定波长的光,在振盪腔体中振盪后,因光波加强干涉的缘故,使光波的振幅加大,能量提高至能够经输出镜片穿出完成受激放大的效果。输出的光束经一个telescope的镜组与amplifier受激后放出的光束相叠,以提高输出的增益,因此染料雷射所输出光的波长宽度与光栅的角度有密切的关联。藉着使用不同染料,可透过手动或电脑控制步进马达来设定光栅级数和光栅的角度,则可得到波长范围从380nm到960nm间特定波长的雷射。染料雷射的输出功率与触动激发光源、染料分子本身、溶剂性质和浓度都有密切的关係,根据以532nm为触动激发光源波长激发染料后,调整不同角度的光栅,测量输出光的功率(脉冲能量),若以输出的功率对波长作图,可得一染料放光(或吸收)效率曲线。
当需要大波长范围的扫描时,须使用不同的料染来得到所需的波长及功率,以R610染料为例,若以甲醇为溶剂时,其输出的范围是572-590nm,而最大输出功率在波长581nm的位置,如果实验须要扫描短波长的位置,可加入适量的硷(例如NaOH),则最大输出功率会蓝位移到578nm的位置,反之;加适量的酸(例如HCl)则红位移到585nm的位置。若实验所需的波长范围,介于两个染料所能提供的之间,其输出的功率都很低,且加酸、加硷都没辨法重叠到,则可将两个染料依适当的比例溷合后,量测功率直到符合实验所需的波长有较佳的输出即可进行实验。
 
C、波长倍频器
       因研究课题需要可调式脉冲紫外光,染料雷射输出的光必须再倍频。本实验所用的波长倍频器(wavelength extender)的原厂製造商是Spectra-Physics公司,产品型号为Quanta-Ray WEX-2。适当地选用不同角度的KD*P晶体可产生范围从432nm到216nm的可调波长的紫外光,例如选用50°切角的C1晶体倍频后可输出的范围从310-440nm,58°切角的C2晶体倍频后后输出的范围从285-350nm,74°切角的C3晶体的输出范围从267-290nm。故在做实验时,须注意扫描的范围来选用适当的晶体。
       自染料雷射输出的可见光经WEX-2 的光束结合镜片(beam combiner),反射到有倍频功能的KD*P晶体上,不同波长的入射可见光其折射率不同,须微调晶体的Phase-matching组内的KD*P晶体角度,以得到功率最大的紫外光。微调晶体的Phase-matching的原理如下:输出的紫外光一部分照射在二象限光电二极体上,若光束有偏折的情形,则照射二极体电路上的电桥产生电流,促使WEX-2自动微调晶体的角度,使二极体两边的电流达到平衡,直到电桥没有电流通过为止,此使可得到最大的紫外光输出功率。
        由于波长倍频的转换效率通常只有10%左右,经波长倍频后的光源中溷合有原来的可见光及倍频后的紫外光,因此我们必须藉Pellin Broca 稜镜将可见光及紫外光分离。依实验条件所需,紫外光的强度可由不同穿率的Neutral Density Filters来控制其强度后,经过柱状的聚焦镜聚焦,引入高真空室和分子束相交,当做激发或游离分子的光源。