Usinage super-résolution de saphir monocristallin par ablation induite par laser femtoseconde et assistée par plasma

Une nouvelle étude en Progrès optoélectroniques discute usinage super-résolution de saphir monocristallin par ablation assistée par plasma induit par laser femtoseconde en mode rafale GHz.

Le laser femtoseconde (fs) en mode rafale de GHz, qui émet une série de trains d’impulsions (impulsion en rafale) avec des intervalles extrêmement courts de plusieurs centaines de ps, offre des caractéristiques distinctes dans le traitement des matériaux par rapport au laser fs conventionnel (mode impulsion unique). Les auteurs de la nouvelle étude ont démontré que le laser fs en mode rafale de GHz améliore considérablement l’efficacité, la qualité et la vitesse de l’ablation. Le laser fs en mode rafale de GHz a été appliqué à la nanostructuration de surface, montrant la formation de structures de surface périodiques bidimensionnelles (2D) uniques différentes des structures 1D fabriquées par le mode impulsion unique.

Les auteurs ont exploité les caractéristiques spécifiques du laser fs en mode rafale GHz pour l’usinage en super-résolution du saphir monocristallin par cette technique originale, appelée ablation assistée par plasma induit par laser (LIPAA). Le saphir monocristallin est un matériau intéressant pour une variété d’applications industrielles en raison de ses excellentes caractéristiques telles qu’une transparence élevée dans le domaine visible, une dureté élevée et une bonne résistivité thermique.

Cependant, les excellentes caractéristiques du saphir rendent difficile le traitement de haute qualité et de haute précision. Dans le procédé LIPAA, un substrat transparent au faisceau laser est placé sur une cible métallique telle que le cuivre. L’interaction du faisceau laser et du plasma généré par la cible permet une ablation à haut rendement de la surface arrière des matériaux transparents.

Le laser fs LIPAA en mode rafale GHz permet une interaction directe du plasma induit par les impulsions laser précédentes avec les impulsions laser suivantes en raison de l’intervalle modéré de chaque impulsion dans l’impulsion en rafale, ce qui permet d’obtenir une efficacité et une qualité d’ablation supérieures ainsi qu’une meilleure résolution de fabrication. Ainsi, il démontre le potentiel du laser fs LIPAA en mode rafale GHz pour la microfabrication de haute qualité et à haut rendement de substrats en saphir monocristallin.

Le laser fs en mode rafale de GHz émet une série de trains d’impulsions avec des intervalles extrêmement courts de plusieurs centaines de ps. Ici, le train d’impulsions unique est appelé impulsion en rafale et chaque impulsion de l’impulsion en rafale est appelée intra-impulsion. Dans les expériences, un substrat en saphir cristallin unique a été placé en contact avec une cible en cuivre et une seule impulsion en rafale a été irradiée sur la cible en cuivre à travers le substrat en saphir. L’intervalle d’impulsion modéré dans l’impulsion en rafale de GHz pourrait permettre une interaction directe des impulsions laser suivantes avec le plasma généré par les impulsions laser précédentes à l’interface du substrat en saphir et de la cible en cuivre.

Pour le processus LIPAA à impulsions de GHz, la profondeur d’ablation dépend du flux intra-impulsionnel et du nombre d’impulsions intra-impulsionnelles, P. Naturellement, les variations de la profondeur d’ablation en fonction de l’énergie intra-impulsionnelle montrent que le flux intra-impulsionnel le plus élevé conduit à une augmentation de la profondeur d’ablation. Il est important de noter que la profondeur d’ablation augmente considérablement lorsque le nombre d’impulsions intra-impulsionnelles est de 5. L’intervalle de temps entre la première et la cinquième impulsion intra-impulsionnelle est d’environ 1 ns.

L’augmentation drastique de la profondeur d’ablation est due au fait que la densité du plasma devient suffisamment élevée pour contribuer au processus LIPAA environ 1 ns après la première irradiation intra-impulsion. Plus précisément, dans le cas de l’ablation du cuivre, on sait que la génération du plasma induit par laser commence 10 à 50 ps après l’irradiation par impulsion laser, et sa densité est ensuite maximisée à environ 1 ns, moment auquel la cinquième impulsion peut interagir efficacement avec le plasma pour augmenter considérablement la profondeur d’ablation.

Les auteurs ont également constaté que le seuil d’ablation diminue à 1/7,3 par rapport à l’ablation directe au laser fs en mode impulsion unique. De plus, la profondeur d’ablation a été augmentée d’un facteur de 4,2 à 5,0 par rapport à celle du LIPAA en mode impulsion unique. Il est important de noter que l’absorption accrue a permis d’obtenir une qualité d’ablation bien meilleure. De plus, le procédé LIPAA en mode rafale GHz améliore la résolution de fabrication bien au-delà de la taille du spot laser focalisé en raison de la contribution synergétique de l’effet de seuil et de la densité de plasma plus élevée plus près du centre du faisceau laser.

Ainsi, on peut conclure que le procédé LIPAA en mode rafale GHz offre la possibilité de réaliser une micro- et nanofabrication de saphir avec une efficacité de traitement élevée, une qualité de traitement élevée et une résolution de fabrication élevée. Ce procédé peut être étendu au traitement d’autres matériaux transparents. L’utilisation de faisceaux façonnés tels que le faisceau de Bessel et le faisceau vectoriel améliorera les performances du LIPAA en termes de géométrie de fabrication, de résolution et d’efficacité.