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)

飛秒激光以其獨特的特性，如超短脈沖寬度和極高峰值強度，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之一是可通過抑制熱影響區(qū)實現(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；智能手機和顯示器玻璃和藍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。

為進一步推動飛秒激光在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其生產(chǎn)量亟需提高。增加激光脈沖強度和/或重復(fù)率較容易提高生產(chǎn)量。目前，已有研究團隊證實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)麥姆斯咨詢報道，近期，日本理化學研究所先進光子學中心（RIKEN Center for Advanced Photonics，RAP）的一個研究項目展示了在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)建獨特的二維（2D）激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）。

這項工作建立在日本理化學研究所先進光子學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脈沖串模式對于燒蝕也很有吸引力，因為其可以改善加工區(qū)域的熱擴散，從而提高燒蝕效率，但日本理化學研究所先進光子學中心的項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)。這可能會開辟微米和納米制造的新途徑。“激光誘導(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現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)?！比毡纠砘瘜W研究所先進光子學中心評論道，“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)日本理化學研究所先進光子學中心研究團隊的說法，超短脈沖激光在表面上的復(fù)雜作用涉及三個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，但對于GHz脈沖串模式，每個脈沖與激發(fā)的材料相互作用，與之前的脈沖相比，這會產(chǎn)生非常不同的結(jié)果。

“這是一個獨特的物理過程，傳統(tǒng)的單脈沖模式無法實現(xiàn)和控制。”日本理化學研究所先進光子學中心評論道，“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)化可能很快就會跟進。”

日本理化學研究所先進光子學中心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?！?/p>

審核編輯 ：李倩