3D-isotrope Mikrofabrikation in Glas mittels räumlich-zeitlicher Fokussierung von Femtosekunden-Laserpulsen

Das Femtosekundenlaser-Direktschreiben (fs) (FLDW) ist eine Laser-Mikro-/Nano-Fertigungstechnologie, die die Laserimpulse auf die Oberfläche oder das Innere des Materials fokussieren kann und durch nichtlineare Laser-Material-Wechselwirkungen lokale Änderungen der Materialeigenschaften verursacht, die weit verbreitet ist in vielen Bereichen wie Mikro-/Nanophotonik, integrierte Optik, Mikrofluidik. Herkömmliche FLDW haben das Problem einer asymmetrischen lateralen und axialen Fertigungsauflösung, die axiale Auflösung ist deutlich verlängert, was die Anwendung von Femtosekundenlasern in der 3D-Bearbeitung einschränkt.

In den letzten Jahren wurden mehrere Strahlformungstechniken vorgeschlagen, um den Unterschied zwischen lateraler und axialer Auflösung bei FLDW auszugleichen, beispielsweise die Schlitzformungstechnologie, die Astigmatismus-Formungstechnologie und die Kreuzstrahlbestrahlungstechnologie. Diese Techniken können jedoch keine dreidimensionale isotrope Verarbeitung auf der Grundlage einer einzigen Objektivlinse erreichen.

Die Technik der simultanen räumlichen und zeitlichen Fokussierung (SSTF) wurde ursprünglich für Bio-Imaging-Anwendungen entwickelt und wurde in der FS-Laser-Mikrobearbeitung eingesetzt. Die SSTF-Technik bietet eine neue zeitliche Fokussierungsdimension, die sich durch die Verbesserung der axialen Fertigungsauflösung und die Eliminierung des nichtlinearen Selbstfokussierungseffekts auszeichnet.

Der Mechanismus der SSTF-Technik besteht darin, dass unterschiedliche Frequenzkomponenten von fs-Laserimpulsen durch Gitter räumlich gestreut und dann durch eine Objektivlinse wieder kombiniert werden. Die Impulsbreite am Brennpunkt der Objektivlinse wird auf fs-Niveau wiederhergestellt.

Derzeit basieren die meisten Forschungsarbeiten zur 3D-Mikrobearbeitung der FS-Laser-SSTF-Technik auf einem Ti:Saphir-Chirped-Pulsverstärkungssystem mit großer Bandbreite und niedriger Wiederholungsrate, was die Geschwindigkeit der Laserbearbeitung begrenzt. Daher ist die Anwendung von SSTF auf fs-Laserquellen mit hoher Wiederholrate eine unumgängliche Voraussetzung, um gleichzeitig eine hohe Effizienz und eine dreidimensionale isotrope Bearbeitung zu erreichen.

Allerdings ist die Bandbreite einer fs-Laserquelle mit hoher Wiederholungsrate normalerweise schmal, die räumliche Dispersion führt zu einer großen Anzahl negativer Zeit-Chirps, der Laser selbst kann nicht genügend Zeitkompensation bieten, was dazu führt, dass die Impulsbreite im Fokus nicht auf fs wiederhergestellt werden kann Dies schränkt die Anwendung der SSTF-Technik bei der Laserbearbeitung mit hoher Wiederholrate ein. Daher erfordert die isotrope 3D-Mikrofabrikation in transparenten Materialien unter Verwendung von SSTF-fs-Laserimpulsen mit hoher Wiederholungsrate eine zusätzliche Zeitkompensation.

Die Autoren von ein Artikel veröffentlicht in Optoelektronische Fortschritte schlagen ein Pulskompensationsschema vor, indem ein Pulsstrecker außerhalb einer fs-Laserquelle mit hoher Wiederholungsrate für die Erzeugung der SSTF-fs-Laserpulse gebaut wird, die eine wirklich isotrope 3D-Mikrofabrikation mit einer einstellbaren Auflösung im Bereich von 8 µm bis 22 µm in Glas realisieren.

In dieser Arbeit wurde ein Impulsstrecker vom Martinez-Typ eingesetzt, um eine große Anzahl positiver zeitlicher Chirps einzuführen, die Ausgangsimpulsbreite wurde auf den Pikosekundenbereich gedehnt und dann wurden verschiedene Frequenzkomponenten von Laserimpulsen durch Gitterpaare räumlich verteilt und dann wieder kombiniert Durch eine Objektivlinse wurde die Impulsbreite im Fokus der Objektivlinse auf fs-Niveau wiederhergestellt. Das Versuchssystem ist in Abb. 1 dargestellt.

Wie wir alle wissen, hängt der Effekt der Femtosekundenlaserbearbeitung von der Schreibrichtung, der Pulsenergie und der Bearbeitungstiefe ab. Um die 3D-isotrope Fertigungsauflösung mithilfe des SSTF-Schemas zu überprüfen, zeigten die Autoren optische Mikroaufnahmen der Linien im Glas in verschiedenen Tiefen entlang verschiedener Richtungen und mit unterschiedlicher Pulsenergie (siehe in Abb. 2).

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass im SSTF-Schema alle Querschnittsprofile sowohl in der XZ- als auch in der YZ-Ebene symmetrisch und rund waren. Durch Variation des Impulses kann eine 3D-abstimmbare isotrope Fertigungsauflösung im Bereich von 8 μm bis 22 μm in Glas erreicht werden Die Energie des fs-Lasers und die Fertigungsauflösung waren unempfindlich gegenüber der Tiefe der Fokusposition. Die Bedeutung dieser Arbeit besteht hauptsächlich darin, die hohe Laserbearbeitungseffizienz und die kontinuierlich in 3D einstellbare isotrope Fertigungsauflösung zu erreichen, die neue technische Mittel für die Laserbearbeitung bietet.

Um die einzigartige Fähigkeit der 3D-isotropen Herstellung in Glas mit dem SSTF-Schema zu demonstrieren, demonstrierten die Autoren 3D-isotrope mikrofluidische Strukturen im Inneren des Glases, die durch SSTF-fs-Laserdirektschreiben und chemisches Ätzen hergestellt wurden (siehe Abb. 3). Im Vergleich zur herkömmlichen Laserbearbeitung bietet der SSTF-Laserpuls mit hoher Wiederholungsrate fs die Vorteile einer hocheffizienten, 3D-einstellbaren isotropen Fertigungsauflösung. Es wird erwartet, dass die Forschungsergebnisse auf die Herstellung von 3D-Mikrofluidchips, photonischen Chips und Laser-3D-Druck angewendet werden.