飞秒GHz/MHz双脉冲串可大幅提升硅烧蚀效率

长三角G60激光联盟导读

在日本理化研究所高级光子学中心(RAP)从事激光应用的科学家们开发了一种新的技术，使用在MHz包络中分组的GHz飞秒激光脉冲爆发，称为BiBurst模式，用于高效和高质量的硅烧蚀。

用于突发模式超快激光烧蚀的实验装置示意图。来源：nternational Journal of Extreme Manufacturing (2022). DOI: 10.1088/2631-7990/ac466e

来自先进激光加工研究团队的研究人员领导的团队发表论文在《Journal of Extreme Manufacturing》(IJEM)上，与传统的飞秒激光加工(单脉冲模式)相比，采用飞秒激光器的BiBurst模式提高了烧蚀效率和质量。

该团队已经证明，BiBurst模式可以以4.5倍的体积速率烧蚀硅，比单脉冲模式的烧蚀质量更好，在传递相同的总激光能量的过程中。此外，与GHz激光脉冲相比，BiBurst模式在更高的总能量下实现了最高的烧蚀效率，提供了更大体积、更深的钻井能力。这些发现将对基础研究和工业应用产生重大影响。

研究小组提出，在GHz爆发脉冲中前一个脉冲产生的吸收位点吸收后续脉冲，可能是提高烧蚀效率的机制。进一步了解GHz-burst和biburst模式激光烧蚀过程中发生的激光-物质相互作用对激光材料加工领域的研究具有重要意义。

LSM测量的烧蚀坑的尺寸。

与此同时，飞秒激光脉冲激光烧蚀技术使得高性能微加工在精度和质量方面成为可能。因此，飞秒激光被广泛用于商业应用，包括微加工，修剪，划线，切丁和缺陷修复。提高产量是进一步加快其商业化和工业化应用的迫切需要。可以想象，通过增加激光脉冲的强度和/或重复率，吞吐量可以很容易提高。

然而，较高强度的激光会受到等离子体屏蔽，降低了烧蚀效率，并常常由于激光能量的过量沉积而引起热损伤。高于几百kHz的重复频率会导致热积累，产生较大的热影响区，不适合高精度或高质量的微细加工。

这些发现将克服这些问题，从而加速飞秒激光器的商业应用。这一成就为其他可能表现出类似激光-物质相互作用行为的材料的处理开辟了道路。

这些发现将克服这些问题，从而加速飞秒激光器的商业应用。这一成就为其他可能表现出类似激光-物质相互作用行为的材料的处理开辟了道路。

通过提供相同的0.53μJ总能量但具有不同的突发模式配置而烧蚀的硅表面上的斑点的SEM图像。

本文作者Koji Sugioka博士说:“GHz/MHz BiBurst模式处理涉及各种参数，如内部脉冲的数量、持续时间、能量以及每个内部脉冲的时间间隔。此外，即使对于相同的脉冲能量，脉冲内能量的不同分布(如逐渐增加、逐渐减少或脉冲内能量的山状分布)也应该提供不同的结果。GHz/MHz BiBurst模式处理的研究仍处于初级阶段，需要积累大量不同参数和材料的数据。基于物理学理论的理论方法也很重要;尽管如此，大量的处理参数带来了许多挑战。”

“商业化的另一个关键因素是开发高性能激光系统，该系统可以轻松、灵活地调整GHz/MHz BiBurst中的参数。与此同时，GHz/MHz BiBurst技术可能为除消融外的其他处理提供了一种新的可能性。特别是，在可控方式下的温和加热和熔化能力将有效地用于基于热反应的加工，如微键、结晶和抛光。”

图4 用于脉冲串模式超快激光烧蚀的实验装置示意图。

“应用于飞秒激光器的特定处理，包括双光子聚合、内部光波导写入和形成高空间频率激光诱导周期结构(HSFL)，可以产生独特的特征。因此，我相信GHz突发模式将为飞秒激光处理开辟一个新的领域。”

《International Journal of Extreme Manufacturing》主编卢永峰教授评论说:“飞秒激光器已经成为许多先进制造领域的必要工具，如手机生产、太阳能电池制造和先进电子产品制造。”

（a）用于水中消融的泵探针显微镜设置。对于空气中消融过程的分析，不使用比色杯，否则设置相同。（b）三个记录图像的图像后处理。原始表面（R0）、消融过程中（R（Δt））和消融过程结束后（Rinf）的图像用于计算瞬态（ΔR/R0）和最终状态（ΔRinf/R0）的相对反射率变化。红色虚线圆圈表示瞬态激光改性区域ΔA和最终激光改性面积ΔAinf。来源：Compuscript Ltd

“然而，激光制造的生产力仍然受到激光加工是一个串行过程这一事实的限制，这是与平行方法如光刻、丝网印刷和成型相比的主要瓶颈。人们普遍认为，高脉冲能量和高重复率可以提高生产效率，这是工业上迫切需要的。然而，飞秒激光与材料的相互作用不是线性和孤立的。许多复杂的现象相互关联，包括空间和时间上的多尺度和多物理过程。由于涉及的物理复杂性和大量参数，解决GHz/MHz BiBurst模式处理中的机制是一项非常具有挑战性的任务。”

“Sugioka博士的团队在如何研究这一过程方面做了非常好的案例，优雅地穿过了工艺参数的丛林，为如何进一步改进基于GHz/MHz BiBurst模式的飞秒激光处理奠定了坚实的基础。”

来源：Enhanced ablation efficiency for silicon by femtosecond laser microprocessing with GHz bursts in MHz bursts(BiBurst), International Journal of Extreme Manufacturing (2022). DOI: 10.1088/2631-7990/ac466e

长三角G60激光联盟陈长军转载