Femtosekund laser direkteskrivingsteknologi er en slags mikro-nano prosesseringsteknologi som kan fokusere en pulserende laserstråle på overflaten eller innsiden av et materiale, og forårsake en endring i de lokale egenskapene til materialet gjennom den ikke-lineære interaksjonen mellom laseren og materiale i fokalområdet, som har blitt mye brukt på mange felt som mikrofluidikk, mikronanofotonikk, integrert optikk og så videre. Den tradisjonelle femtosekundlaser-direkteskrivingsteknologien har problemet med asymmetri mellom transversal prosesseringsoppløsning og aksial oppløsning, og den aksiale oppløsningen er åpenbart forlenget, noe som begrenser bruken av femtosekundlaser i tredimensjonal prosessering til en viss grad. I de senere årene, for å balansere forskjellen mellom lateral og aksial oppløsning av femtosekund laser direkte skriving, har flere stråleformingsteknikker blitt foreslått, slik som spalteformingsteknikk, astigmatismeformingsteknikk og tverrstrålebestrålingsteknikk. Imidlertid kan ingen av disse teknikkene oppnå tredimensjonal isotropisk prosessering basert på en enkelt objektivlinse.
Spatiotemporal fokuseringsteknikker ble opprinnelig utviklet for bioavbildningsapplikasjoner og har blitt brukt innen femtosekund lasermikromaskinering. Femtosekund laser spatiotemporal fokuseringsteknologi gir en ny dimensjon av temporal fokusering, som lar den utmerke seg i å forbedre aksial fabrikasjonsoppløsning og eliminere ikke-lineære selvfokuserende effekter. Mekanismen for spatiotemporal fokuseringsteknologi er at: de forskjellige spektrale komponentene til femtosekundlaseren spres romlig gjennom gitterpar, det romlig spredte lyset blir deretter fokusert gjennom objektivlinsen, de forskjellige spektralkomponentene rekombineres ved brennpunktet, og pulsbredden er gjenopprettet til femtosekund størrelsesorden.
For tiden er de fleste av de eksisterende studiene på tredimensjonal mikromaskinering med femtosekund laser spatiotemporal fokusering basert på bred båndbredde, lav repetisjonsfrekvens titan edelstenlasere, og den lave repetisjonsfrekvensen begrenser hastigheten på laserbehandling, så bruken av spatiotemporal fokuseringsteknologi til en høy-repeterende frekvens femtosekund laserlyskilde er et uunngåelig krav for å møte kravene til høyeffektiv, tredimensjonal anisotropisk prosessering på samme tid. Imidlertid er båndbredden til femtosekundlaserkilder med høy gjentakelsesfrekvens vanligvis smal, det romlige spredningsvolumet introduserer et stort antall negative tidskvitringer, og laseren i seg selv kan ikke gi tilstrekkelig tidskompensasjon, noe som resulterer i at pulsbredden ved brennpunktet ikke å kunne gjenopprettes til femtosekunds størrelsesorden, noe som begrenser bruken av spatio-temporal fokuseringsteknologi til høy-repetisjonsfrekvent laserbehandling. Derfor må tredimensjonal isotropisk prosessering basert på høyfrekvent femtosekund laser spatiotemporal fokuseringsteknologi gi ekstra tidskompensasjon.
Forskningshøydepunkter
Teamet til Prof. Yangjian Cai fra Shandong Normal University og Prof. Ya Cheng fra East China Normal University har samarbeidet for å foreslå en ordning med ekstra hulroms-tidskompensasjon for høyfrekvente lasere, som realiserer høyeffektiv, tredimensjonal isotropisk maskinering basert på spatiotemporal fokuseringsteknikken til høyfrekvente femtosekund laserlyskilder. I dette arbeidet brukes Martinez-pulsforlengeren som er bygget utenfor laseren til å introdusere et stort antall tidspositive kvitring for å utvide pulsbredden til picosecond-størrelsesorden, og deretter den romlige spredningen av enkeltpassgitterkompressoren (rist par) og fokuseringen av objektivlinsen sikrer rekombinasjonen av de forskjellige spektrale komponentene ved brennpunktet med en pulsbredde i femtosekund størrelsesorden. Det eksperimentelle systemet er vist i fig. 1.
Fig. 1 Skjematisk diagram av tredimensjonal isotropisk prosesseringsenhet basert på høyfrekvent femtosekund laser spatio-temporal fokuseringsteknologi
Det er velkjent at effekten av femtosekund laserbehandling påvirkes av prosesseringsretningen, pulsenergien og prosesseringsdybden osv. For å verifisere om den spatiotemporale fokuseringsenheten har evnen til tredimensjonal isotropisk prosessering, har Prof. Yangjian Cais team og Prof. Cheng Yas team demonstrerte det optiske tverrsnittet av enheten i forskjellige retninger, i forskjellige dybder og behandlet av forskjellige pulsenergier inne i det lysfølsomme glasset (som vist i fig. 2). De eksperimentelle resultatene viser at oppløsningen langs forskjellige retninger er den samme og sirkulær, og den 3D isotropiske prosesseringsoppløsningen (8-22 μm) er proporsjonal med pulsenergien og ufølsom for prosesseringsdybden. Betydningen av dette arbeidet ligger hovedsakelig i kombinasjonen av høy prosesseringseffektivitet og kontinuerlig justerbar 3D isotrop prosesseringsoppløsning, som gir et nytt teknisk middel for laserbehandling.
Fig. 2 Påvirkning av forskjellige retninger, pulsenergier og prosesseringsdybder på prosesseringsoppløsningen til det temporale fokuseringssystemet.
For mer intuitivt å demonstrere den tredimensjonale fabrikasjonsevnen til romtidsfokuseringsenheten, kombinerte forskerteamet romtidsfokuseringsteknologien med den postkjemiske korrosjonsmetoden for å fremstille en rekke tredimensjonale isotropiske mikrofluidiske strukturer inne i lysfølsomt glass. Sammenlignet med tradisjonell laserbehandling har enheten fordelene med høy effektivitet, kontinuerlig justerbar 3D isotrop prosesseringsoppløsning, ufølsomhet for prosesseringsdybde, etc. Resultatene av denne forskningen forventes å bli brukt på 3D mikrofluidisk chip, fotonisk chip fabrikasjon så vel som laser 3D-utskrift og andre felt.
