飞秒GHz/MHzBiBurst脉冲可大大提高硅烧蚀效率

RIKEN高级光子学中心(RAP)从事激光应用研究的科学家开发了一种新技术，该技术使用以MHz包络形式分组的飞秒激光脉冲的GHz突发，称为BiBurst模式，用于高效和高质量地烧蚀硅。

发表在《国际极限制造杂志》(IJEM)上，由先进激光加工研究团队的研究人员领导的团队采用飞秒激光的BiBurst模式，与传统的飞秒激光加工(单-脉冲模式)。

该团队已经证明，在提供相同数量的工艺中使用的总激光能量时，BiBurst模式可以以比单脉冲模式快4.5倍的体积速率烧蚀硅，并具有更好的烧蚀质量。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，从而能够以更大的体积进行更深的钻孔。这些发现可能对基础研究和工业应用产生重大影响。

该团队提出，在由GHz突发脉冲中的先前脉冲产生的吸收位点(瞬态孵化)处吸收后续脉冲，作为提高消融效率的可能机制。对于在激光材料加工领域工作的研究人员来说，进一步了解在GHz脉冲串和BiBurst模式激光烧蚀过程中发生的激光-物质相互作用将具有极大的兴趣。

同时，飞秒激光脉冲的激光烧蚀使高性能微细加工在精度和质量方面成为可能。因此，飞秒激光器被广泛用于商业应用，包括微加工、修整、划线、切割和缺陷修复。迫切需要提高吞吐量以进一步加速其商业化和工业应用。可以想象，通过增加激光脉冲的强度和/或重复率可以很容易地增加产量。

然而，更高的强度会受到等离子屏蔽的影响，降低烧蚀效率，并且由于过多的激光能量的沉积而经常引起热损伤。高于数百kHz的重复频率会导致热量积聚并产生大的热影响区，这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在商业应用中的采用。这一成就为处理可能表现出类似激光-物质相互作用行为的其他材料开辟了道路。

通讯作者KojiSugioka博士表示，“GHz/MHzBiBurst模式处理涉及各种参数，例如脉冲内的数量、持续时间和能量以及每个脉冲内的时间间隔。此外，不同的能量分布即使对于相同的爆发能量，爆发中的脉冲内(例如，脉冲内能量的逐渐增加，逐渐减少或山形分布)应该提供不同的结果。”

“GHz/MHzBiBurst模式处理的研究还处于起步阶段，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;虽然，海量的处理参数的变化带来了许多挑战。”

“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/MHzBiBurst中的参数。同时，GHz/MHzBiBurst可能为烧蚀以外的加工提供新的可能性。特别是，以受控方式温和加热和熔化的能力将有效地用于基于热反应的加工，例如微键合、结晶和抛光。”

“应用于飞秒激光器特有的处理，包括双光子聚合、内部光波导写入和高空间频率激光诱导周期结构(HSFL)的形成，可以产生不同的特征。因此，我相信GHz突发模式将开辟飞秒激光加工的新领域。”

InternationalJournalofExtremeManufacturing主编陆永峰教授评论说：“飞秒激光器已成为许多先进制造领域的重要工具，例如手机生产、太阳能电池制造和先进电子产品的制造。”

“然而，激光制造的生产力仍然受到以下事实的限制：激光加工是串行过程，与光刻、丝网印刷和模塑等并行方法相比，这是一个主要瓶颈。通常认为高脉冲能量和重复率可以带来高生产率，这是工业的迫切需求。”

“然而，飞秒激光与材料的相互作用不是线性和孤立的。有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。解决GHz/MHzBiBurst模式处理中的机制是一项非常具有挑战性的任务，因为物理的复杂性和所涉及的大量参数。”

“Sugioka博士的团队就如何研究这一工艺做了一个很好的案例，优雅地在工艺参数的丛林中导航，为如何进一步改进基于GHz/MHzBiBurst模式的飞秒激光加工奠定了坚实的基础。"