Femtosekund laser direktskrivningsteknologi är en sorts mikro-nano bearbetningsteknik som kan fokusera en pulsad laserstråle på ytan eller insidan av ett material och orsaka en förändring av materialets lokala egenskaper genom laserns olinjära interaktion med material i fokalområdet, som har använts i stor utsträckning inom många områden som mikrofluidik, mikronanofotonik, integrerad optik och så vidare. Den traditionella femtosekundlaserteknologin har problemet med asymmetri mellan transversell bearbetningsupplösning och axiell upplösning, och den axiella upplösningen är uppenbarligen förlängd, vilket begränsar tillämpningen av femtosekundlaser i tredimensionell bearbetning i viss utsträckning. Under de senaste åren har flera strålformningstekniker föreslagits, för att balansera skillnaden mellan de laterala och axiella upplösningarna för femtosekundlaserdirektskrivning, såsom spaltformningsteknik, astigmatismformningsteknik och tvärstrålningsteknik. Ingen av dessa tekniker kan emellertid uppnå tredimensionell isotropisk bearbetning baserad på en enda objektivlins.
Spatiotemporal fokuseringstekniker utvecklades ursprungligen för bioavbildningstillämpningar och har använts inom området femtosekund lasermikrobearbetning. Femtosekund laser spatiotemporal fokuseringsteknologi ger en ny dimension av temporal fokusering, vilket gör att den kan utmärka sig i att förbättra axiell tillverkningsupplösning och eliminera ickelinjära självfokuserande effekter. Mekanismen för spatiotemporal fokuseringsteknologi är att: de olika spektrala komponenterna i femtosekundlasern sprids spatialt genom gitterpar, det spatialt spridda ljuset fokuseras sedan genom objektivlinsen, de olika spektrala komponenterna rekombineras vid brännpunkten och pulsbredden återställs till femtosekunders storleksordning.
För närvarande är de flesta av de befintliga studierna om tredimensionell mikrobearbetning med femtosekund laser spatiotemporal fokusering baserade på bred bandbredd, lågrepetitionsfrekvens titan ädelstenslasrar, och den låga repetitionsfrekvensen begränsar laserbearbetningshastigheten, så tillämpningen av spatiotemporal fokuseringsteknologi till en femtosekundlaserkälla med hög repeterande frekvens är ett oundvikligt krav för att samtidigt uppfylla kraven på högeffektiv, tredimensionell anisotropisk bearbetning. Men bandbredden för femtosekundlaserkällor med hög upprepningsfrekvens är vanligtvis smal, den rumsliga spridningsvolymen introducerar ett stort antal negativa tidssignaler och lasern i sig kan inte ge tillräcklig tidskompensation, vilket resulterar i att pulsbredden vid brännpunkten inte att kunna återställas till femtosekunders storleksordning, vilket begränsar tillämpningen av spatio-temporal fokuseringsteknologi till högupprepningsfrekvent laserbehandling. Därför behöver tredimensionell isotropisk bearbetning baserad på högfrekvent femtosekundlaser spatiotemporal fokuseringsteknologi ge ytterligare tidskompensation.
Forskningshöjdpunkter
Teamet av professor Yangjian Cai från Shandong Normal University och professor Ya Cheng från East China Normal University har samarbetat för att föreslå ett schema för extra kavitetstidskompensation för högfrekventa lasrar, som realiserar högeffektiv, tredimensionell isotropisk bearbetning baserad på spatiotemporal fokuseringsteknik för högfrekventa femtosekundlaserljuskällor. I detta arbete används Martinez-pulsbreddaren som är byggd utanför lasern för att introducera ett stort antal tidspositiva pip för att bredda pulsbredden till en storleksordning på pikosekund, och sedan den rumsliga spridningen av enkelpassgitterkompressorn (gitter). par) och fokuseringen av objektivlinsen säkerställer rekombinationen av de olika spektrala komponenterna vid brännpunkten med en pulsbredd i femtosekunds storleksordning. Det experimentella systemet visas i fig. 1.
Fig. 1 Schematiskt diagram av tredimensionell isotropisk bearbetningsanordning baserad på högfrekvent femtosekund laser spatio-temporal fokuseringsteknologi
Det är välkänt att effekten av femtosekundlaserbearbetning påverkas av bearbetningsriktningen, pulsenergin och bearbetningsdjupet etc. För att verifiera om den spatiotemporala fokuseringsanordningen har förmågan till tredimensionell isotropisk bearbetning, har Prof. Yangjian Cais team och Prof. Cheng Yas team demonstrerade det optiska tvärsnittet av enheten i olika riktningar, på olika djup och bearbetade av olika pulsenergier inuti det ljuskänsliga glaset (som visas i Fig. 2). De experimentella resultaten visar att upplösningen längs olika riktningar är densamma och cirkulär, och den isotropiska bearbetningsupplösningen i 3D (8-22 μm) är proportionell mot pulsenergin och okänslig för bearbetningsdjupet. Betydelsen av detta arbete ligger främst i kombinationen av hög bearbetningseffektivitet och kontinuerligt justerbar 3D isotrop bearbetningsupplösning, vilket ger ett nytt tekniskt medel för laserbearbetning.
Fig. 2 Inverkan av olika riktningar, pulsenergier och bearbetningsdjup på bearbetningsupplösningen för det temporala fokuseringssystemet.
För att mer intuitivt demonstrera den tredimensionella tillverkningsförmågan hos rymdtidsfokuseringsanordningen kombinerade forskargruppen rymdtidsfokuseringstekniken med den postkemiska korrosionsmetoden för att tillverka en mängd olika tredimensionella isotropa mikrofluidiska strukturer inuti ljuskänsligt glas. Jämfört med traditionell laserbehandling har enheten fördelarna med hög effektivitet, kontinuerligt justerbar 3D-isotropisk bearbetningsupplösning, okänslighet för bearbetningsdjup etc. Resultaten av denna forskning förväntas tillämpas på 3D-mikrofluidchip, fotonisk chiptillverkning samt laser 3D-utskrift och andra områden.
