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飞秒激光时空整形的电子动态调控微孔加工

2022-04-07 17:19:34浏览:2624来源:中国激光网   

概述

 

       微孔作为一种常见结构,在新能源、消费电子、生物制药、航空航天、生化传感等领域获得了广泛的应用。然而在实际应用中,对于高品质微孔的加工,传统的方法具有一定的局限性:机械钻孔易操作,但难以加工小直径、高深径比的微孔;电火花钻孔只适用于导电材料并且精细加工难度大;电子束、聚焦离子束钻孔可实现纳米至亚微米精度的微孔加工,但加工条件苛刻,加工效率慢。

 

       相比于以上传统微孔加工方法,飞秒激光微孔加工具有材料适用范围广,加工精度高以及灵活性强,适用于复杂异形孔加工的特点。实际应用中对于小直径下高深径比微孔结构的需求场合越来越多,而未整形高斯激光微孔加工存在小直径与高深径比之间的矛盾,因此其无法满足加工要求。由于飞秒激光形状性质精准可调,因此通过对飞秒激光进行时域/空域整形可以改变激光光场分布,控制局部瞬时电子动态,调控后续相变过程,实现对微孔加工过程的控制,从而实现小直径下高深径比微孔结构的加工。

 

关键进展

 

       北京理工大学机械与车辆学院姜澜教授研究团队的李晓炜教授(通信作者)在《光电工程》2022年第2期上发表了题为“飞秒激光时空整形的电子动态调控微孔加工”的综述文章。主要综述了近年来飞秒激光时空整形微孔加工方法及其应用,并讨论了时空整形飞秒激光微孔加工目前所面临的挑战和未来研究方向

 

        首先,文章介绍了时间整形飞秒激光微孔加工方面的进展。2012年,Jiang等[1]研究了双脉冲对于在K9玻璃上背表面加工高深径比微孔的影响。加工过程中采用动态聚焦的方式,相比于未整形飞秒激光加工结果而言,整形后双脉冲飞秒激光微孔加工深度提高3倍,材料去除量提高56倍。2014年,Jiang等[2]研究了双脉冲对于在PMMA上加工微孔的影响。使用双脉冲加工,孔深可达890 μm,深径比可达91:1,相较于单脉冲加工分别增长了1.61倍和3.45倍。通过时间整形飞秒激光加工辅助化学刻蚀的方法也能够明显提高微孔的深径比。2013年,Liu等[3]采用了飞秒激光双脉冲辐照熔融石英辅助氢氟酸刻蚀的微孔加工方式,微孔深度可达600 μm,较传统飞秒激光刻蚀结果提高10倍。2018年,Wang等[4]利用双脉冲贝塞尔光束辅助化学刻蚀的方法在熔融石英上加工微孔。当脉冲延时为10 ps时,刻蚀深度约400 μm,较单脉冲贝塞尔光束加工结果提升近10倍。

 

       其次,文章介绍了空间整形飞秒激光微孔加工方面的进展。2014年,Zhao等[5]通过优化贝塞尔光束脉冲能量以及贝塞尔光束相对于材料的位置,利用单个贝塞尔脉冲在PMMA上加工出深径比高达460:1的微孔。2017年,Wang等[6]利用泵浦探测技术,研究了高深径比微孔形成的关键因素是贝塞尔光束作用在材料时材料内部圆柱形冲击波的产生及其压缩机制。2018年,Yao等[7]通过空间光调制器优化设计相位分布,可实现激光光场长度、直径的精确控制,在PMMA上加工出深径比高达560:1的微孔。

 

       最后,文章介绍了飞秒激光微孔加工在在增透减反、切割以及油水分离、雾气收集、气体收集等方面的应用,并进一步讨论了时空整形飞秒激光微孔加工目前所面临的挑战和未来研究方向

 

时空整形飞秒激光微孔加工

 

总结与展望

 

       微孔作为一种常见结构,在许多领域都有着广泛应用,如何加工高深径比微孔一直以来都是国内外研究的热点问题。飞秒激光在高质量、高深径比微孔加工方面具有独特的优势。飞秒激光超快的特性,使得飞秒激光微孔加工具有极小化重铸层、热影响区的特性。而飞秒激光超强的特性,使其能够加工任意固体材料。此外,飞秒激光的强阈值效应以及多光子吸收,使其能够实现超衍射极限,加工出小直径微孔。

 

        在不同材料上加工高质量、高深径比微孔过程中,需要综合考虑激光波长、激光脉宽以及整形方式。激光波长影响材料的多光子吸收过程以及激光是否可以深入材料内部。激光脉宽过长时,热效应较强会产生重铸层、热影响区,影响微孔入口质量;脉宽过短时,飞秒激光非线性效应较强,影响激光在材料中能量沉积。针对于整形方式而言,贝塞尔光束并不适用于非透明材料高深径比微孔加工,非透明材料加工通常会选择时域整形方式。因此,针对不同加工需求,选择合适的微孔加工方式是至关重要的。

 

       此外,目前飞秒激光微孔加工在加工方法和加工效率方面还存在一定局限性。在加工方法上,在时域整形微孔加工方面,目前研究最多的为双脉冲加工微孔过程中时间延时的影响,可进一步研究子脉冲个数、子脉冲能量比、子脉冲偏振方向等因素对于微孔加工的影响,进一步提高对电子动态的调控能力,实现对微孔形貌的更精确可控;在空域整形微孔加工方面,目前空域整形微孔加工主要集中为利用贝塞尔光束加工高深径比微孔,整形方式较为单一,无法实现更加灵活多变的微孔形貌制备,因此需要更多光场整形微孔加工方式的出现。此外,目前空域整形微孔加工主要针对标量光场整形,由于矢量光场空间偏振分布的非一致性,基于矢量光场整形可产生许多标量光场整形下无法产生的特殊光束,实现超衍射极限微孔加工。在加工效率方面,可将利用衍射光学元件(DOE)和空间光调制器(SLM)进行光场调制与时空整形微孔加工方式相结合,实现多光束并行加工提高加工效率。此外,也可以利用振镜扫描系统与时空整形微孔加工方式相结合,提高微孔大面积加工效率。随着激光整形技术的不断发展以及飞秒激光加工技术的不断进步,飞秒激光微孔加工的应用前景将更加明朗。

 

       该综述受到国家自然科学基金资助项目(52075041)、北京市自然科学基金资助项目(JQ20015)、北京市卓越青年科学家项目(BJJWZYJH01201910007022)的支持。

 

参考文献

[1] Jiang L, Liu P, Yan X, et al. High-throughput rear-surface drilling of microchannels in glass based on electron dynamics control using femtosecond pulse trains[J]. Optics letters, 2012, 37(14): 2781-2783.

[2] Jiang L, Fang J, Cao Q, et al. Femtosecond laser high-efficiency drilling of high-aspect-ratio microholes based on free-electron-density adjustments[J]. Applied optics, 2014, 53(31): 7290-7295.

[3] Liu P J, Jiang L, Hu J, et al. Etching rate enhancement by shaped femtosecond pulse train electron dynamics control for microchannels fabrication in fused silica glass[J]. Optics letters, 2013, 38(22): 4613−4616.

[4] Wang Z, Jiang L, Li X, et al. High-throughput microchannel fabricationin fused silica by temporally shaped femtosecond laser Bessel-beam-assisted chemical etching[J]. Optics letters, 2018, 43(1): 98-101.

[5] Zhao W, Li X, Xia B, et al. Single-pulse femtosecond laser Bessel beams drilling of high-aspect-ratio microholes based on electron dynamics control[C]//International Symposium on Optoelectronic Technology and Application 2014: Advanced Display Technology; Nonimaging Optics: Efficient Design for Illumination and Solar Concentration. International Society for Optics and Photonics, 2014, 9296: 92960Q.

[6] Wang G, Yu Y, Jiang L, et al. Cylindrical shock wave-induced compression mechanism in femtosecond laser Bessel pulse micro-drilling of PMMA[J]. Applied Physics Letters, 2017, 110(16): 161907.

[7] Yao Z, Jiang L, Li X, et al. Non-diffraction-length, tunable, Bessel-like beams generation by spatially shaping a femtosecond laser beam for high-aspect-ratio micro-hole drilling[J]. Optics express,2018, 26(17): 21960-21968.

 

论文来源:https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2022.210389

文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/c-9Y6SFKyh43chImi3tXJQ

(责任编辑:CHINALASER)
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