利用飞秒激光的GHz脉冲串模式在硅衬底上构建二维表面结构

飞秒激光以其独特的特性，如超短脉冲宽度和极高峰值强度，为材料加工开辟了新的途径，展现了比其他传统激光在多种材料加工方面更为优越的性能。飞秒激光加工最重要的特点之一是可通过抑制热影响区实现超高质量超高精度微纳加工。

飞秒激光已被广泛应用于商业用途，比如电子、汽车和医疗部件的微加工和整形；智能手机和显示器玻璃和蓝宝石衬底的划线和切割；硅太阳能电池抗反射表面的纳米结构，以及硒化铜铟镓（CIGS）、硒化铜铟（CIS）和无机太阳能电池的刻划和图案化；微型发光二极管（LED）显示器的缺陷修复和边缘切割；以及医用支架的制造。

为进一步推动飞秒激光在商业和工业领域的应用，其生产量亟需提高。增加激光脉冲强度和/或重复率较容易提高生产量。目前，已有研究团队证实GHz重复频率的飞秒激光脉冲串可提高烧蚀效率和烧蚀质量。

据麦姆斯咨询报道，近期，日本理化学研究所先进光子学中心（RIKEN Center for Advanced Photonics，RAP）的一个研究项目展示了在GHz频率下以“脉冲串模式（burst mode）”工作的飞秒激光如何在硅衬底上构建独特的二维（2D）激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。

这项工作建立在日本理化学研究所先进光子学中心之前的研究基础上，即关于飞秒激光脉冲序列与传统单脉冲方法相比如何提高表面烧蚀效率和烧蚀质量。GHz脉冲串模式对于烧蚀也很有吸引力，因为其可以改善加工区域的热扩散，从而提高烧蚀效率，但日本理化学研究所先进光子学中心的项目研究了相同的激光脉冲串是否也可能产生更复杂的效果。

单脉冲模式 vs. GHz脉冲串模式

正如International Journal of Extreme Manufacturing期刊上所报道的那样，这种新方法比更简单的烧蚀工艺构建了更复杂的表面纳米结构。这可能会开辟微米和纳米制造的新途径。“激光诱导周期性表面结构的形成是一种众所周知的现象，通过利用多个线偏振激光脉冲照射材料表面，甚至在空气中，在不同的固体表面上实现微纳结构。”日本理化学研究所先进光子学中心评论道，“利用GHz脉冲串模式制造2D激光诱导周期性表面结构的能力将提供形成更多功能化表面的可能性，从而使应用更加多样化。”

飞秒激光加工的新商业应用

在晶体硅衬底的试验中，GHz脉冲激光不仅能够产生垂直于激光偏振的一维结构（该结构由单脉冲模式激光产生），而且还能产生其他平行于激光偏振的周期性结构以创建二维晶格图案。

根据日本理化学研究所先进光子学中心研究团队的说法，超短脉冲激光在表面上的复杂作用涉及三个不同的非线性吸收过程，以及能量转移、声子激发和物理烧蚀。对于传统的单脉冲激光源，这些相互作用发生在激光和静态材料之间，但对于GHz脉冲串模式，每个脉冲与激发的材料相互作用，与之前的脉冲相比，这会产生非常不同的结果。

“这是一个独特的物理过程，传统的单脉冲模式无法实现和控制。”日本理化学研究所先进光子学中心评论道，“如果2D激光诱导周期性表面结构的制造可提供具有多种应用的功能化表面，那么该研究的商业化可能很快就会跟进。”

日本理化学研究所先进光子学中心Koji Sugioka表示：“该结果可能为GHz脉冲串模式用于除烧蚀以外的加工提供了一种新的可能性，包括微键合、结晶、抛光、双光子聚合和内部光波导写入。我们相信GHz脉冲串模式将打开飞秒激光加工的新途径。”

审核编辑 ：李倩