研究背景

超短激光脈沖燒蝕具有熱影響區(qū)小、精度高等優(yōu)勢(shì)，在透明材料微加工中已得到廣泛研究和應(yīng)用；基于脈沖序列模式的超短脈沖激光是進(jìn)一步提高材料去除效率和質(zhì)量的有效手段。脈沖序列模式的子脈沖重復(fù)頻率常為~MHz，通過(guò)控制燒蝕與熱積累等效應(yīng)，顯著提升了燒蝕效率。

為了追求更高的加工效率，近年來(lái)，重頻GHz的脈沖序列激光燒蝕加工成為研究熱點(diǎn)。GHz子脈沖間隔小于1 ns，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程和能量沉積分布的精密調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)燒蝕機(jī)理和效應(yīng)的控制和優(yōu)化。

GHz脈沖序列激光微加工研究主要集中在飛秒激光脈沖領(lǐng)域，而皮秒脈沖激光是目前工業(yè)領(lǐng)域泛應(yīng)用的脈寬，皮秒脈沖燒蝕效應(yīng)與飛秒脈沖存在顯著差異，皮秒激光脈沖序列燒蝕效應(yīng)研究仍然較少。

雙脈沖屬于脈沖序列模式的最基本形式，即泵浦-探測(cè)方法，是用于研究脈沖序列燒蝕物理過(guò)程的主要方法。因此，皮秒雙脈沖燒蝕研究對(duì)于揭示皮秒脈沖序列燒蝕物理機(jī)理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

創(chuàng)新工作

中科院上海光機(jī)所朱健強(qiáng)研究員、孫明營(yíng)副研究員團(tuán)隊(duì)將雙脈沖序列與時(shí)域整形相結(jié)合，基于亞納秒級(jí)間隔的雙脈沖序列，通過(guò)時(shí)域整形，調(diào)節(jié)子脈沖的能量比和時(shí)間延遲，對(duì)脈沖序列的形狀進(jìn)行靈活調(diào)制，探究樣品表面燒蝕過(guò)程與機(jī)理。

不同形狀雙脈沖的燒蝕特性隨通量增加的變化規(guī)律顯著不同（圖1），而泵浦脈沖通量起著決定性作用。

圖1 時(shí)域整形雙脈沖的燒蝕形貌隨激光通量的變化

首先，根據(jù)不同形狀、不同通量的雙脈沖燒蝕形貌呈現(xiàn)顯著的差異，燒蝕形貌可分為五種典型燒蝕形態(tài)（圖2），分別為散點(diǎn)狀、中心熔融、整體燒蝕、兩種環(huán)狀形貌出現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得燒蝕形貌種類隨泵浦和探測(cè)通量變化的分布規(guī)律；不同序列形狀條件下，環(huán)狀燒蝕形貌的出現(xiàn)與泵浦脈沖通量密切相關(guān)。

圖2 皮秒雙脈沖序列作用于K9玻璃的典型燒蝕形態(tài)

為了深入探索時(shí)域整形的雙脈沖對(duì)燒蝕形貌的調(diào)控作用，定量分析了不同形狀雙脈沖輻照下燒蝕尺寸隨通量的變化關(guān)系。首先，基于燒蝕形貌，定義了燒蝕尺寸外徑和內(nèi)環(huán)。內(nèi)環(huán)尺寸僅與泵浦脈沖相關(guān)，與泵浦通量對(duì)數(shù)基本呈線性關(guān)系；外徑燒蝕尺寸基本上取決于雙脈沖總能量。第二，從燒蝕閾值上看，內(nèi)環(huán)閾值與單脈沖閾值基本一致，這是泵浦脈沖作用的結(jié)果。雙脈沖相互作用使得燒蝕區(qū)域尺寸顯著增加，兩個(gè)脈沖之間存在明顯的孵化效應(yīng)。

子脈沖間隔是脈沖序列的重要參量。對(duì)比研究了兩子脈沖667 ps和333 ps間隔的燒蝕特性：較低通量時(shí)，較小脈沖間隔的燒蝕效率明顯更高；但隨著通量的增加，因沖擊波和屏蔽效應(yīng)，短間隔的燒蝕優(yōu)勢(shì)不再顯現(xiàn)。此外，燒蝕環(huán)狀的區(qū)別也可以反映出沖擊波的傳輸特性。

結(jié)論與展望

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了GHz雙脈沖燒蝕效應(yīng)的物理圖像，探索了燒蝕調(diào)控的物理機(jī)制。當(dāng)脈沖序列的子脈沖重頻達(dá)到GHz時(shí)，子脈沖時(shí)間間隔小于1 ns，每個(gè)子脈沖的通量對(duì)于脈沖序列燒蝕至關(guān)重要。本文研究結(jié)果有助于更深入地理解GHz激光燒蝕透明介質(zhì)物理機(jī)制，優(yōu)化其應(yīng)用工藝。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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