利用飛秒激光的GHz脈沖串模式在硅襯底上構(gòu)建二維表面結(jié)構(gòu)

飛秒激光以其獨(dú)特的特性，如超短脈沖寬度和極高峰值強(qiáng)度，為材料加工開辟了新的途徑，展現(xiàn)了比其他傳統(tǒng)激光在多種材料加工方面更為優(yōu)越的性能。飛秒激光加工最重要的特點(diǎn)之一是可通過抑制熱影響區(qū)實(shí)現(xiàn)超高質(zhì)量超高精度微納加工。

飛秒激光已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)用途，比如電子、汽車和醫(yī)療部件的微加工和整形；智能手機(jī)和顯示器玻璃和藍(lán)寶石襯底的劃線和切割；硅太陽能電池抗反射表面的納米結(jié)構(gòu)，以及硒化銅銦鎵（CIGS）、硒化銅銦（CIS）和無機(jī)太陽能電池的刻劃和圖案化；微型發(fā)光二極管（LED）顯示器的缺陷修復(fù)和邊緣切割；以及醫(yī)用支架的制造。

為進(jìn)一步推動(dòng)飛秒激光在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其生產(chǎn)量亟需提高。增加激光脈沖強(qiáng)度和/或重復(fù)率較容易提高生產(chǎn)量。目前，已有研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)GHz重復(fù)頻率的飛秒激光脈沖串可提高燒蝕效率和燒蝕質(zhì)量。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心（RIKEN Center for Advanced Photonics，RAP）的一個(gè)研究項(xiàng)目展示了在GHz頻率下以“脈沖串模式（burst mode）”工作的飛秒激光如何在硅襯底上構(gòu)建獨(dú)特的二維（2D）激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）。

這項(xiàng)工作建立在日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心之前的研究基礎(chǔ)上，即關(guān)于飛秒激光脈沖序列與傳統(tǒng)單脈沖方法相比如何提高表面燒蝕效率和燒蝕質(zhì)量。GHz脈沖串模式對(duì)于燒蝕也很有吸引力，因?yàn)槠淇梢愿纳萍庸^(qū)域的熱擴(kuò)散，從而提高燒蝕效率，但日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心的項(xiàng)目研究了相同的激光脈沖串是否也可能產(chǎn)生更復(fù)雜的效果。

單脈沖模式 vs.GHz脈沖串模式

正如International Journal of Extreme Manufacturing期刊上所報(bào)道的那樣，這種新方法比更簡單的燒蝕工藝構(gòu)建了更復(fù)雜的表面納米結(jié)構(gòu)。這可能會(huì)開辟微米和納米制造的新途徑?！凹す庹T導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的形成是一種眾所周知的現(xiàn)象，通過利用多個(gè)線偏振激光脈沖照射材料表面，甚至在空氣中，在不同的固體表面上實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)?！比毡纠砘瘜W(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心評(píng)論道，“利用GHz脈沖串模式制造2D激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的能力將提供形成更多功能化表面的可能性，從而使應(yīng)用更加多樣化?！?/p>

飛秒激光加工的新商業(yè)應(yīng)用

在晶體硅襯底的試驗(yàn)中，GHz脈沖激光不僅能夠產(chǎn)生垂直于激光偏振的一維結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)由單脈沖模式激光產(chǎn)生），而且還能產(chǎn)生其他平行于激光偏振的周期性結(jié)構(gòu)以創(chuàng)建二維晶格圖案。

根據(jù)日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心研究團(tuán)隊(duì)的說法，超短脈沖激光在表面上的復(fù)雜作用涉及三個(gè)不同的非線性吸收過程，以及能量轉(zhuǎn)移、聲子激發(fā)和物理燒蝕。對(duì)于傳統(tǒng)的單脈沖激光源，這些相互作用發(fā)生在激光和靜態(tài)材料之間，但對(duì)于GHz脈沖串模式，每個(gè)脈沖與激發(fā)的材料相互作用，與之前的脈沖相比，這會(huì)產(chǎn)生非常不同的結(jié)果。

“這是一個(gè)獨(dú)特的物理過程，傳統(tǒng)的單脈沖模式無法實(shí)現(xiàn)和控制?！比毡纠砘瘜W(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心評(píng)論道，“如果2D激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的制造可提供具有多種應(yīng)用的功能化表面，那么該研究的商業(yè)化可能很快就會(huì)跟進(jìn)?！?/p>

日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心Koji Sugioka表示：“該結(jié)果可能為GHz脈沖串模式用于除燒蝕以外的加工提供了一種新的可能性，包括微鍵合、結(jié)晶、拋光、雙光子聚合和內(nèi)部光波導(dǎo)寫入。我們相信GHz脈沖串模式將打開飛秒激光加工的新途徑。”

審核編輯 ：李倩