Die Femtosekunden-Laser-Direktschreibtechnologie ist eine Art Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologie, die einen gepulsten Laserstrahl auf die Oberfläche oder das Innere eines Materials fokussieren und durch die nichtlineare Wechselwirkung des Lasers mit dem Material eine Änderung der lokalen Eigenschaften des Materials bewirken kann Material im Fokusbereich, das in vielen Bereichen wie Mikrofluidik, Mikro-Nano-Photonik, integrierter Optik usw. weit verbreitet ist. Bei der traditionellen Femtosekundenlaser-Direktschreibtechnologie besteht das Problem der Asymmetrie zwischen der transversalen Bearbeitungsauflösung und der axialen Auflösung, und die axiale Auflösung ist offensichtlich verlängert, was die Anwendung des Femtosekundenlasers bei der dreidimensionalen Bearbeitung in gewissem Maße einschränkt. Um den Unterschied zwischen der lateralen und axialen Auflösung des Femtosekundenlaser-Direktschreibens auszugleichen, wurden in den letzten Jahren verschiedene Strahlformungstechniken vorgeschlagen, wie z. B. die Schlitzformungstechnik, die Astigmatismus-Formungstechnik und die Kreuzstrahlbestrahlungstechnik. Keine dieser Techniken kann jedoch eine dreidimensionale isotrope Verarbeitung auf der Grundlage einer einzigen Objektivlinse erreichen.
Räumlich-zeitliche Fokussierungstechniken wurden ursprünglich für Bio-Imaging-Anwendungen entwickelt und im Bereich der Femtosekunden-Laser-Mikrobearbeitung eingesetzt. Die räumlich-zeitliche Fokussierungstechnologie des Femtosekundenlasers bietet eine neue Dimension der zeitlichen Fokussierung und ermöglicht eine hervorragende Verbesserung der axialen Fertigungsauflösung und die Eliminierung nichtlinearer Selbstfokussierungseffekte. Der Mechanismus der räumlich-zeitlichen Fokussierungstechnologie besteht darin, dass die verschiedenen Spektralkomponenten des Femtosekundenlasers durch Gitterpaare räumlich gestreut werden, das räumlich gestreute Licht dann durch die Objektivlinse fokussiert wird, die verschiedenen Spektralkomponenten im Brennpunkt und in der Pulsbreite wieder vereint werden wird auf die Femtosekunden-Größenordnung zurückgeführt.
Derzeit basieren die meisten vorhandenen Studien zur dreidimensionalen Mikrobearbeitung mit räumlich-zeitlicher Fokussierung von Femtosekundenlasern auf Titan-Edelsteinlasern mit großer Bandbreite und niedriger Wiederholungsfrequenz, und die niedrige Wiederholungsfrequenz schränkt die Geschwindigkeit der Laserbearbeitung ein, sodass die Anwendung der raumzeitlichen Fokussierungstechnologie erforderlich ist an eine Femtosekunden-Laserlichtquelle mit hoher Wiederholfrequenz ist eine unumgängliche Voraussetzung, um gleichzeitig die Anforderungen einer hocheffizienten, dreidimensionalen anisotropen Verarbeitung zu erfüllen. Allerdings ist die Bandbreite von Femtosekundenlaserquellen mit hoher Wiederholfrequenz normalerweise schmal, das räumliche Dispersionsvolumen führt zu einer großen Anzahl negativer Zeit-Chirps und der Laser selbst kann keine ausreichende Zeitkompensation bieten, was dazu führt, dass die Impulsbreite am Brennpunkt nicht ausreicht kann auf die Größenordnung von Femtosekunden wiederhergestellt werden, was die Anwendung der räumlich-zeitlichen Fokussierungstechnologie auf die Laserbearbeitung mit hoher Wiederholfrequenz beschränkt. Daher muss die dreidimensionale isotrope Verarbeitung auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Fokussierungstechnologie mit hochfrequentem Femtosekundenlaser eine zusätzliche Zeitkompensation bieten.
Forschungshighlights
Das Team von Prof. Yangjian Cai von der Shandong Normal University und Prof. Ya Cheng von der East China Normal University haben zusammengearbeitet, um ein Schema zur Zeitkompensation außerhalb des Hohlraums für Hochfrequenzlaser vorzuschlagen, das eine hocheffiziente, dreidimensionale isotrope Bearbeitung ermöglicht basierend auf der raumzeitlichen Fokussierungstechnik hochfrequenter Femtosekunden-Laserlichtquellen. In dieser Arbeit wird der außerhalb des Lasers eingebaute Martinez-Pulsverbreiterer verwendet, um eine große Anzahl zeitpositiver Chirps einzuführen, um die Pulsbreite auf die Pikosekunden-Größenordnung zu verbreitern, und dann die räumliche Dispersion des Single-Pass-Gitterkompressors (Gitter). Paar) und die Fokussierung der Objektivlinse sorgt für die Rekombination der verschiedenen Spektralkomponenten im Brennpunkt mit einer Pulsbreite in der Größenordnung von Femtosekunden. Das Versuchssystem ist in Abb. 1 dargestellt.
Abb. 1 Schematische Darstellung eines dreidimensionalen isotropen Verarbeitungsgeräts basierend auf der räumlich-zeitlichen Fokussierungstechnologie des Hochfrequenz-Femtosekundenlasers
Es ist bekannt, dass die Wirkung der Femtosekunden-Laserbearbeitung von der Bearbeitungsrichtung, der Pulsenergie und der Bearbeitungstiefe usw. beeinflusst wird. Um zu überprüfen, ob das räumlich-zeitliche Fokussierungsgerät die Fähigkeit zur dreidimensionalen isotropen Bearbeitung besitzt, hat das Team von Prof. Yangjian Cai und das Team von Prof. Cheng Ya demonstrierte den optischen Querschnitt des Geräts in verschiedenen Richtungen, in unterschiedlichen Tiefen und verarbeitet durch unterschiedliche Impulsenergien im lichtempfindlichen Glas (wie in Abb. 2 dargestellt). Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Auflösung entlang verschiedener Richtungen gleich und kreisförmig ist und die 3D-isotrope Verarbeitungsauflösung (8-22 μm) proportional zur Impulsenergie und unempfindlich gegenüber der Verarbeitungstiefe ist. Die Bedeutung dieser Arbeit liegt vor allem in der Kombination aus hoher Bearbeitungseffizienz und kontinuierlich einstellbarer isotroper 3D-Bearbeitungsauflösung, die ein neues technisches Mittel für die Laserbearbeitung bietet.
Abb. 2 Einfluss unterschiedlicher Richtungen, Pulsenergien und Bearbeitungstiefen auf die Bearbeitungsauflösung des zeitlichen Fokussierungssystems.
Um die dreidimensionale Herstellungsfähigkeit des Raum-Zeit-Fokussiergeräts intuitiver zu demonstrieren, kombinierte das Forschungsteam die Raum-Zeit-Fokussierungstechnologie mit der postchemischen Korrosionsmethode, um eine Vielzahl dreidimensionaler isotroper mikrofluidischer Strukturen im Inneren herzustellen lichtempfindliches Glas. Im Vergleich zur herkömmlichen Laserbearbeitung bietet das Gerät die Vorteile einer hohen Effizienz, einer stufenlos einstellbaren isotropen 3D-Bearbeitungsauflösung, Unempfindlichkeit gegenüber der Bearbeitungstiefe usw. Die Ergebnisse dieser Forschung sollen voraussichtlich auf 3D-Mikrofluidchips und die Herstellung photonischer Chips angewendet werden Laser-3D-Druck und andere Bereiche.
