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技術前沿

飛秒激光加工藍寶石工藝再獲新進展!

激光制造網 來源:激光行業觀察2022-12-14 我要評論(0 )   

藍寶石具有超強硬度、耐腐蝕、耐高溫、在紫外-紅外波段具有良好的透光性等優點,在軍工、醫療器械等領域中具有廣泛的應用前景。然而,這些特性也使得其很難進行機械加...

藍寶石具有超強硬度、耐腐蝕、耐高溫、在紫外-紅外波段具有良好的透光性等優點,在軍工、醫療器械等領域中具有廣泛的應用前景。然而,這些特性也使得其很難進行機械加工和化學腐蝕加工。

近日,來自英國曼徹斯特大學激光加工研究中心的研究人員宣布,他們利用飛秒激光在藍寶石上制造了直徑為10納米的小孔,這一結果實現了飛秒激光在藍寶石晶體表面精細加工方面的新突破。
圖片
(圖片來源:英國曼徹斯特大學激光加工研究中心)
據悉,科學家們利用新開發的一種新方法進行實驗,演示了高純度縱向飛秒激光場(即與光軸平行)及其與拋光硅、銅和藍寶石的相互作用。在實驗中,他們首先用0.75 NA的非平面透鏡聚焦形成800nm飛秒激光的光束,以此確認縱向場的存在,然后用0.95 NA的透鏡進一步了解聚焦縱向場的特征及其對激光材料加工的影響。接著,他們還研究了偏振態、光束強度分布和波前消融剖面,并將結果與縱向場的理論模型進行了比較。
最終,他們在隔空的情況下,在拋光的藍寶石上演示了分辨率高達10nm的材料加工效果,這遠遠超過800nm波長的遠場衍射極限,也遠超之前發表的基于強非線性激光材料相互作用過程的結果。
為了驗證這些微小孔洞的截面特征,研究人員進行了聚焦離子束截面。結果顯示的孔直徑為30nm,深度超過500nm,且錐度為零。
該論文的合著者Olivier Allegre博士補充說:“在這項研究中觀察到的極小的特征尺寸、非常高的深寬比與平行孔壁可能表明,縱向場誘導的材料去除機制與橫向線性極化誘導的材料去除機制有根本不同。這種現象在單脈沖這種規模的激光材料加工中很少見。具有縱向場的激光束可以表現得有點像粒子加速器,使電子(帶負電荷)和離子(帶正電荷)比標準庫侖爆炸更有效地噴射出來。我們實驗中產生的非常深的空穴表明,空穴中存在電子加速和電荷極化以去除物質的可能性。”
這項研究的意義在于展示了用紅外激光束處理超分辨率材料,并打破了遠場的光學衍射極限。以往的大多數方法要么是基于昂貴的極紫外(EUV)激光波長,在光學衍射極限內工作;要么是使用近場光學,使工作距離太近而無法實際使用。該方法實現了激光加工的高縱橫比特征,指出了一種新的材料去除機制。

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