Eine neue Studie in Optoelektronische Fortschritte diskutiert Superauflösungsbearbeitung von einkristallinem Saphir durch GHz-Burst-Modus-Femtosekundenlaser-induzierte plasmaunterstützte Ablation.
Der GHz-Burst-Modus-Femtosekundenlaser (fs), der eine Reihe von Impulszügen (Burst-Impulse) mit extrem kurzen Intervallen von mehreren hundert ps aussendet, bietet im Vergleich zum herkömmlichen fs-Laser (Einzelimpulsmodus) besondere Eigenschaften bei der Materialbearbeitung. Die Autoren der neuen Studie haben gezeigt, dass der GHz-Burst-Modus-fs-Laser die Ablationseffizienz, -qualität und -geschwindigkeit erheblich verbessert. Der GHz-Burst-Modus-fs-Laser wurde außerdem zur Oberflächennanostrukturierung eingesetzt und zeigte die Bildung einzigartiger zweidimensionaler (2D) periodischer Oberflächenstrukturen, die sich von den im Einzelimpulsmodus erzeugten 1D-Strukturen unterscheiden.
Die Autoren nutzten die besonderen Merkmale des GHz-Burst-Modus-fs-Lasers für die superauflösende Bearbeitung von einkristallinem Saphir mit dieser originellen Technik, die als laserinduzierte plasmaunterstützte Ablation (LIPAA) bezeichnet wird. Einkristalliner Saphir ist aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wie hohe Transparenz im sichtbaren Bereich, hohe Härte und gute Wärmebeständigkeit ein attraktives Material für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.
Die hervorragenden Eigenschaften erschweren jedoch die hochwertige und hochpräzise Bearbeitung von Saphir. Beim LIPAA-Verfahren wird ein für den Laserstrahl transparentes Substrat auf ein Metalltarget wie Kupfer gelegt. Durch die Wechselwirkung von Laserstrahl und vom Target erzeugtem Plasma wird die Rückseite transparenter Materialien hocheffizient abgetragen.
Der GHz-Burst-Modus-fs-Laser LIPAA ermöglicht eine direkte Wechselwirkung des durch die vorhergehenden Laserpulse induzierten Plasmas mit den nachfolgenden Laserpulsen aufgrund des moderaten Intervalls jedes Pulses im Burst-Puls, wodurch eine höhere Ablationseffizienz und -qualität sowie eine bessere Fertigungsauflösung erreicht werden. Damit demonstriert es das Potenzial des GHz-Burst-Modus-fs-LIPAA für die hochwertige, hocheffiziente Mikrofertigung von einkristallinen Saphirsubstraten.
GHz-Burst-Modus-fs-Laser emittieren eine Reihe von Impulsfolgen mit extrem kurzen Intervallen von mehreren hundert ps. Dabei wird die einzelne Impulsfolge als Burst-Impuls bezeichnet und jeder Impuls im Burst-Impuls als Intra-Impuls. In den Experimenten wurde ein einkristallines Saphirsubstrat in Kontakt mit einem Kupfertarget gebracht und ein einzelner Burst-Impuls durch das Saphirsubstrat auf das Kupfertarget gestrahlt. Das moderate Impulsintervall im GHz-Burst-Impuls könnte eine direkte Wechselwirkung der nachfolgenden Laserimpulse mit Plasma ermöglichen, das durch die vorhergehenden Laserimpulse an der Schnittstelle zwischen Saphirsubstrat und Kupfertarget erzeugt wurde.
Beim GHz-Burst-LIPAA-Prozess hängt die Ablationstiefe von der Intrapulsfluenz und der Anzahl der Intrapulse P ab. Natürlich zeigen Variationen der Ablationstiefe bei der Intrapulsenergie, dass eine höhere Intrapulsfluenz zu einer Erhöhung der Ablationstiefe führt. Wichtig ist, dass die Ablationstiefe bei einer Intrapulszahl von 5 drastisch zunimmt. Das Zeitintervall zwischen dem 1. und dem 5. Intrapuls beträgt etwa 1 ns.
Der Grund für die drastische Zunahme der Ablationstiefe liegt vermutlich darin, dass die Plasmadichte etwa 1 ns nach der ersten Intrapulsbestrahlung hoch genug wird, um den LIPAA-Prozess zu unterstützen. Insbesondere bei der Cu-Ablation ist bekannt, dass die Erzeugung des laserinduzierten Plasmas 10–50 ps nach der Laserpulsbestrahlung beginnt und seine Dichte dann etwa 1 ns lang maximal ist. Zu diesem Zeitpunkt kann der fünfte Puls effizient mit dem Plasma interagieren und die Ablationstiefe drastisch erhöhen.
Die Autoren stellten außerdem fest, dass die Ablationsschwelle im Vergleich zur direkten Ablation mit einem fs-Laser im Einzelpulsmodus auf 1/7,3 sinkt. Darüber hinaus wurde die Ablationstiefe im Vergleich zu der des Einzelpulsmodus LIPAA um den Faktor 4,2–5,0 erhöht. Wichtig ist, dass die erhöhte Absorption außerdem eine viel bessere Ablationsqualität ermöglichte. Darüber hinaus verbessert der GHz-Burstmodus-LIPAA-Prozess die Fertigungsauflösung weit über die fokussierte Laserpunktgröße hinaus aufgrund des synergetischen Beitrags des Schwelleneffekts und der höheren Plasmadichte näher an der Mitte des Laserstrahls.
Man kann also den Schluss ziehen, dass der LIPAA-Prozess im GHz-Burst-Modus die Möglichkeit bietet, die Mikro- und Nanofabrikation von Saphir mit hoher Verarbeitungseffizienz, hoher Verarbeitungsqualität und hoher Fertigungsauflösung zu realisieren. Dieser Prozess kann weiter auf die Verarbeitung anderer transparenter Materialien ausgeweitet werden. Die Verwendung geformter Strahlen wie Bessel-Strahlen und Vektorstrahlen wird die Leistung von LIPAA in Bezug auf Fertigungsgeometrie, Auflösung und Effizienz verbessern.
Mehr Informationen:
Anir S. Sharbirin et al., Stark verbesserte UV-Absorption und Lichtemission von Monoschicht-WS2 durch Hybridisierung mit Ti2N-MXen-Quantenpunkten und g-C3N4-Quantenpunkten, Optoelektronische Fortschritte (2024). DOI: 10.29026/oea.2024.240029
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