Технология прямой записи фемтосекундным лазером — это своего рода технология микро-нанообработки, которая может фокусировать импульсный лазерный луч на поверхности или внутри материала и вызывать изменение локальных свойств материала за счет нелинейного взаимодействия лазера с материал в фокальной области, который широко используется во многих областях, таких как микрофлюидика, микронанофотоника, интегральная оптика и так далее. Традиционная технология прямой записи фемтосекундным лазером имеет проблему асимметрии между разрешением поперечной обработки и аксиальным разрешением, а осевое разрешение явно увеличено, что в некоторой степени ограничивает применение фемтосекундного лазера в трехмерной обработке. В последние годы, чтобы сбалансировать разницу между поперечным и осевым разрешением прямой записи фемтосекундным лазером, было предложено несколько методов формирования луча, таких как метод формирования щели, метод формирования астигматизма и метод перекрестного облучения. Однако ни один из этих методов не может обеспечить трехмерную изотропную обработку на основе одной линзы объектива.
Методы пространственно-временной фокусировки изначально были разработаны для приложений биовизуализации и использовались в области фемтосекундной лазерной микрообработки. Технология пространственно-временной фокусировки фемтосекундного лазера обеспечивает новое измерение временной фокусировки, позволяя улучшить осевое разрешение изготовления и устранить эффекты нелинейной самофокусировки. Механизм технологии пространственно-временной фокусировки заключается в следующем: различные спектральные компоненты фемтосекундного лазера рассеиваются в пространстве через пары решеток, пространственно-дисперсный свет затем фокусируется через объектив, различные спектральные компоненты рекомбинируются в фокусной точке, а ширина импульса восстанавливается до фемтосекундного порядка.
В настоящее время большинство существующих исследований по трехмерной микрообработке с фемтосекундной лазерной пространственно-временной фокусировкой основаны на широкой полосе пропускания и низкой частоте повторения титановых лазеров для драгоценных камней, а низкая частота повторения ограничивает скорость лазерной обработки, поэтому применение технологии пространственно-временной фокусировки Использование фемтосекундного лазерного источника света с высокой повторяющейся частотой является неизбежным требованием для одновременного удовлетворения требований высокоэффективной трехмерной анизотропной обработки. Однако полоса пропускания высокочастотных фемтосекундных лазерных источников обычно узка, объем пространственной дисперсии вносит большое количество отрицательных временных чирпов, а сам лазер не может обеспечить достаточную временную компенсацию, в результате чего ширина импульса в фокусной точке не возможность восстановления до фемтосекундного порядка, что ограничивает применение технологии пространственно-временной фокусировки для высокочастотной лазерной обработки. Следовательно, трехмерная изотропная обработка, основанная на технологии пространственно-временной фокусировки высокочастотного фемтосекундного лазера, должна обеспечить дополнительную временную компенсацию.
Основные исследования
Команда профессора Янцзяня Цая из Шаньдунского педагогического университета и профессора Я Чэна из Восточно-Китайского педагогического университета совместно предложила схему компенсации времени внерезонатора для высокочастотных лазеров, которая реализует высокоэффективную трехмерную изотропную обработку. на основе метода пространственно-временной фокусировки высокочастотных фемтосекундных лазерных источников света. В данной работе уширитель импульса Мартинеса, построенный вне лазера, используется для введения большого количества положительных по времени чирпов для расширения ширины импульса до пикосекундного порядка, а затем пространственной дисперсии однопроходного решеточного компрессора (решетка пара), а фокусировка объектива обеспечивает рекомбинацию различных спектральных составляющих в точке фокуса с длительностью импульса фемтосекундного порядка. Экспериментальная система представлена на рис. 1.
Рис. 1 Принципиальная схема устройства трехмерной изотропной обработки на основе технологии высокочастотной фемтосекундной лазерной пространственно-временной фокусировки
Хорошо известно, что на эффект фемтосекундной лазерной обработки влияют направление обработки, энергия импульса, глубина обработки и т. д. Чтобы проверить, обладает ли пространственно-временное фокусирующее устройство способностью трехмерной изотропной обработки, команда профессора Янцзянь Цая и команда профессора Ченг Я продемонстрировали оптическое сечение устройства в разных направлениях, на разной глубине и обработанное импульсами различной энергии внутри светочувствительного стекла (как показано на рис. 2). Результаты экспериментов показывают, что разрешение по разным направлениям одинаково и круговое, а разрешение 3D-изотропной обработки (8-22 мкм) пропорционально энергии импульса и нечувствительно к глубине обработки. Значимость этой работы главным образом заключается в сочетании высокой эффективности обработки и плавно регулируемого разрешения изотропной 3D-обработки, что обеспечивает новые технические средства лазерной обработки.
Рис. 2. Влияние различных направлений, энергий импульса и глубины обработки на разрешающую способность системы временной фокусировки.
Чтобы более интуитивно продемонстрировать возможности трехмерного изготовления устройства пространственно-временной фокусировки, исследовательская группа объединила технологию пространственно-временной фокусировки с методом постхимической коррозии для изготовления различных трехмерных изотропных микрофлюидных структур внутри устройства. светочувствительное стекло. По сравнению с традиционной лазерной обработкой устройство обладает такими преимуществами, как высокая эффективность, плавная регулировка разрешения изотропной 3D-обработки, нечувствительность к глубине обработки и т. д. Ожидается, что результаты этого исследования будут применены к 3D-микрофлюидным чипам, изготовлению фотонных чипов, а также лазерная 3D-печать и другие области.
