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Koji Sugioka. Will GHz burst mode create a new path to femtosecond laser processing? Int. J. Extrem. Manuf. 3, 043001(2021).
引用: Koji Sugioka. Will GHz burst mode create a new path to femtosecond laser processing? Int. J. Extrem. Manuf. 3, 043001(2021).

GHz“脉冲串”模式是否会开创飞秒激光加工的新途径?


doi: 10.1088/2631-7990/ac2479
详细信息
  • 通讯作者: Koji Sugioka,E-mail:ksugioka@riken.jp
  • 刊出日期: 2021-07-16
  • 基金项目:

    This work was partially supported by MEXT Quantum Leap Flagship Program (MEXT Q-LEAP) Grant No. JPMXS0118067246.

  • 综述 ● 开放获取阅读更多

    1. 文章导读

    飞秒激光脉冲的GHz“脉冲串”模式在不降低烧蚀质量的前提下可显著提高烧蚀效率。然而, GHz“脉冲串”模式中涵盖多项参数会增加其实际应用加工过程的优化难度。本文中,作者介绍了GHz“脉冲串”模式的起源、现状、挑战和未来前景,以回答“GHz脉冲串模式是否会开创飞秒激光加工的新途径?”的问题。

    飞秒激光以其独特的特性,如超短脉冲宽度和极高峰值强度,为材料加工开辟了新的途径,展现了比其他传统激光在多种材料加工方面更为优越的性能[1,2]。飞秒激光加工最重要的特点之一是可通过抑制热影响区(HAZs)实现超高质量超高精度微纳加工。飞秒激光已被广泛应用于商业用途,比如电子、汽车和医疗部件的微加工和整形;智能手机和显示器玻璃和蓝宝石衬底的划线和切割;硅太阳能电池抗反射表面的纳米结构,以及硒化铜铟镓(CIGS)、硒化铜铟(CIS)和无机太阳能电池的刻划和图案化;微型发光二极管(LED)显示器的缺陷修复和边缘切割;以及医用支架的制造。为进一步推动飞秒激光在商业和工业领域的应用,其生产量亟需提高。增加激光脉冲强度和/或重复率较容易提高生产量。然而,较高强度会导致等离子体屏蔽而降低烧蚀率,而且多余能量的沉积会导致热损伤[3]。数百kHz以上的重复频率会导致热积累和大的热影响区,不宜高精度或高质量微加工[4]。

    2. 研究背景

    Ilday研究团队近期证实GHz重复频率的飞秒激光脉冲串可提高烧蚀效率和烧蚀质量,如图1所示 [5]。他们声称,目标材料在前序脉冲沉积的余热扩散离开加工区域之前就已被烧蚀,烧蚀效率可提高一个数量级。他们进一步断言,烧蚀材料的物理去除带走烧蚀物质中包含的热量,从而引起无热效应的高质量烧蚀。此过程被称之为烧蚀冷却。这些结果颠覆了常识,在激光材料加工领域产生了重大影响。

    3. 最新进展

    尽管学术界对GHz脉冲串模式充满兴趣,但由于缺乏激光源,研究人员很难通过实验进一步探索。然而,一些激光制造商已经开始研发可在GHz脉冲串模式下进行操作的飞秒激光系统。一些研究团队已经进行了GHz脉冲串模式下的飞秒激光烧蚀金属(如铜、不锈钢和铝[6-12])、半导体和介电材料(如硅、碳化硅、熔融石英和卡普顿)的实验[6-8,13]。通常情况下,GHz脉冲串模式下的表面烧蚀质量相比传统单模更好[7、11、13]。优异的表面质量可能依赖于烧蚀冷却。因为在某些材料的烧蚀表面上可明显观测到再溶解层,可推断GHz能够以一种更可控的方式实现温和加热和熔化产生更平滑的烧蚀表面,这很可能是GHz脉冲串高质量烧蚀的机理。此外,优化参数,如帧内脉冲数、脉冲间隔(帧内脉冲重复频率)和脉冲能量(一个脉冲串所有帧内脉冲的能量),对于实现更高的烧蚀质量至关重要。另一方面,烧蚀效率很大程度上取决于材料的类型。与传统单模激光相比,GHz脉冲串模式对于半导体和电介质(包括硅、碳化硅、熔融石英和卡普顿)可达到更高的烧蚀效率,而对金属的烧蚀效率会更低[8、11、13]。作者推测,烧蚀效率应与材料对激光脉冲的吸收过程密切相关。对于带隙材料,激光能量首先被价带中的束缚电子吸收,在导带中产生自由电子。被激发的自由电子可以有效地吸收脉冲串中的后续脉冲,从而提高烧蚀效率。对于金属而言,自由电子总是吸收激光能量。由于先前脉冲产生的热扩散或热耗散,分散在脉冲串中的激光能量可能会抑制有效的能量沉积。等离子体屏蔽是影响烧蚀效率的另一个重要因素,因为等离子体动力学与被烧蚀材料本征特性相关。

    GHz脉冲串模式加工包含多种参数,例如帧内脉冲的数量、持续时间和能量以及每个帧内脉冲的时间间隔。此外,即使对于相同的脉冲串能量,帧内脉冲不同的能量分布(例如,帧内脉冲能量的逐渐递增、递减或山形分布)也会导致不同的结果。MHz脉冲串(双脉冲串)中的GHz脉冲提供了一种独特的实用方案[10]。GHz脉冲串模式加工的研究还处于初始阶段,仍需积累大量不同参数、不同材料的数据。将全自动数据采集系统与基于大数据收集和深度学习的人工智能(AI)相结合,是加速GHz脉冲串模式加工实际应用的良好解决方案[14]。基于物理理论的理论方法同样重要;然而,庞大数量的参数将带来诸多挑战。另一个关键因素是开发可方便灵活调整GHz脉冲串各参数的高性能激光系统。

    飞秒激光烧蚀较慢的加工速度是限制其工业应用的瓶颈,通过GHz脉冲串模式在不降低烧蚀质量的情况下显著提高烧蚀效率可以克服这一瓶颈。此外,GHz脉冲串可能为除烧蚀之外的加工提供新的可能性。可控的温和加热和熔化的能力使其适用于多种热反应的加工,例如微焊接、结晶和抛光。将其应用于飞秒激光多种特定加工,例如双光子聚合、内部光波导写入和高空间频率激光诱导周期结构(HSFL)的形成,可以产生显著特征。因此,作者认为GHz脉冲串模式将开辟新的飞秒激光加工途径。


    图1 人类牙齿的激光烧蚀特征,a, 传统激光烧蚀 (1 kHz均匀重复频率), b, GHz脉冲串模式(1.7 GHz帧内脉冲重复频率 ), 虽然两周方案都可以在足够低的平均功率下避免热损伤,但GHz脉冲串模式在脉冲能量降低12倍的情况下可产生约为6倍的烧蚀深度。c和d, 在重复频率、平均功率和扫描速度都同时提高25倍时,传统激光烧蚀会产生热损伤,GHz脉冲串模式完全避免了热损伤,在脉冲能量比传统模式低25倍的情况下可获得更高的烧蚀效率,[5]。获Springer Nature 授权,©1996 by Springer Nature。


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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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图(1)

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GHz“脉冲串”模式是否会开创飞秒激光加工的新途径?

doi: 10.1088/2631-7990/ac2479
    基金项目:

    This work was partially supported by MEXT Quantum Leap Flagship Program (MEXT Q-LEAP) Grant No. JPMXS0118067246.

    通讯作者: Koji Sugioka,E-mail:ksugioka@riken.jp

摘要: 

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

飞秒激光脉冲的GHz“脉冲串”模式在不降低烧蚀质量的前提下可显著提高烧蚀效率。然而, GHz“脉冲串”模式中涵盖多项参数会增加其实际应用加工过程的优化难度。本文中,作者介绍了GHz“脉冲串”模式的起源、现状、挑战和未来前景,以回答“GHz脉冲串模式是否会开创飞秒激光加工的新途径?”的问题。

飞秒激光以其独特的特性,如超短脉冲宽度和极高峰值强度,为材料加工开辟了新的途径,展现了比其他传统激光在多种材料加工方面更为优越的性能[1,2]。飞秒激光加工最重要的特点之一是可通过抑制热影响区(HAZs)实现超高质量超高精度微纳加工。飞秒激光已被广泛应用于商业用途,比如电子、汽车和医疗部件的微加工和整形;智能手机和显示器玻璃和蓝宝石衬底的划线和切割;硅太阳能电池抗反射表面的纳米结构,以及硒化铜铟镓(CIGS)、硒化铜铟(CIS)和无机太阳能电池的刻划和图案化;微型发光二极管(LED)显示器的缺陷修复和边缘切割;以及医用支架的制造。为进一步推动飞秒激光在商业和工业领域的应用,其生产量亟需提高。增加激光脉冲强度和/或重复率较容易提高生产量。然而,较高强度会导致等离子体屏蔽而降低烧蚀率,而且多余能量的沉积会导致热损伤[3]。数百kHz以上的重复频率会导致热积累和大的热影响区,不宜高精度或高质量微加工[4]。

2. 研究背景

Ilday研究团队近期证实GHz重复频率的飞秒激光脉冲串可提高烧蚀效率和烧蚀质量,如图1所示 [5]。他们声称,目标材料在前序脉冲沉积的余热扩散离开加工区域之前就已被烧蚀,烧蚀效率可提高一个数量级。他们进一步断言,烧蚀材料的物理去除带走烧蚀物质中包含的热量,从而引起无热效应的高质量烧蚀。此过程被称之为烧蚀冷却。这些结果颠覆了常识,在激光材料加工领域产生了重大影响。

3. 最新进展

尽管学术界对GHz脉冲串模式充满兴趣,但由于缺乏激光源,研究人员很难通过实验进一步探索。然而,一些激光制造商已经开始研发可在GHz脉冲串模式下进行操作的飞秒激光系统。一些研究团队已经进行了GHz脉冲串模式下的飞秒激光烧蚀金属(如铜、不锈钢和铝[6-12])、半导体和介电材料(如硅、碳化硅、熔融石英和卡普顿)的实验[6-8,13]。通常情况下,GHz脉冲串模式下的表面烧蚀质量相比传统单模更好[7、11、13]。优异的表面质量可能依赖于烧蚀冷却。因为在某些材料的烧蚀表面上可明显观测到再溶解层,可推断GHz能够以一种更可控的方式实现温和加热和熔化产生更平滑的烧蚀表面,这很可能是GHz脉冲串高质量烧蚀的机理。此外,优化参数,如帧内脉冲数、脉冲间隔(帧内脉冲重复频率)和脉冲能量(一个脉冲串所有帧内脉冲的能量),对于实现更高的烧蚀质量至关重要。另一方面,烧蚀效率很大程度上取决于材料的类型。与传统单模激光相比,GHz脉冲串模式对于半导体和电介质(包括硅、碳化硅、熔融石英和卡普顿)可达到更高的烧蚀效率,而对金属的烧蚀效率会更低[8、11、13]。作者推测,烧蚀效率应与材料对激光脉冲的吸收过程密切相关。对于带隙材料,激光能量首先被价带中的束缚电子吸收,在导带中产生自由电子。被激发的自由电子可以有效地吸收脉冲串中的后续脉冲,从而提高烧蚀效率。对于金属而言,自由电子总是吸收激光能量。由于先前脉冲产生的热扩散或热耗散,分散在脉冲串中的激光能量可能会抑制有效的能量沉积。等离子体屏蔽是影响烧蚀效率的另一个重要因素,因为等离子体动力学与被烧蚀材料本征特性相关。

GHz脉冲串模式加工包含多种参数,例如帧内脉冲的数量、持续时间和能量以及每个帧内脉冲的时间间隔。此外,即使对于相同的脉冲串能量,帧内脉冲不同的能量分布(例如,帧内脉冲能量的逐渐递增、递减或山形分布)也会导致不同的结果。MHz脉冲串(双脉冲串)中的GHz脉冲提供了一种独特的实用方案[10]。GHz脉冲串模式加工的研究还处于初始阶段,仍需积累大量不同参数、不同材料的数据。将全自动数据采集系统与基于大数据收集和深度学习的人工智能(AI)相结合,是加速GHz脉冲串模式加工实际应用的良好解决方案[14]。基于物理理论的理论方法同样重要;然而,庞大数量的参数将带来诸多挑战。另一个关键因素是开发可方便灵活调整GHz脉冲串各参数的高性能激光系统。

飞秒激光烧蚀较慢的加工速度是限制其工业应用的瓶颈,通过GHz脉冲串模式在不降低烧蚀质量的情况下显著提高烧蚀效率可以克服这一瓶颈。此外,GHz脉冲串可能为除烧蚀之外的加工提供新的可能性。可控的温和加热和熔化的能力使其适用于多种热反应的加工,例如微焊接、结晶和抛光。将其应用于飞秒激光多种特定加工,例如双光子聚合、内部光波导写入和高空间频率激光诱导周期结构(HSFL)的形成,可以产生显著特征。因此,作者认为GHz脉冲串模式将开辟新的飞秒激光加工途径。


图1 人类牙齿的激光烧蚀特征,a, 传统激光烧蚀 (1 kHz均匀重复频率), b, GHz脉冲串模式(1.7 GHz帧内脉冲重复频率 ), 虽然两周方案都可以在足够低的平均功率下避免热损伤,但GHz脉冲串模式在脉冲能量降低12倍的情况下可产生约为6倍的烧蚀深度。c和d, 在重复频率、平均功率和扫描速度都同时提高25倍时,传统激光烧蚀会产生热损伤,GHz脉冲串模式完全避免了热损伤,在脉冲能量比传统模式低25倍的情况下可获得更高的烧蚀效率,[5]。获Springer Nature 授权,©1996 by Springer Nature。


English Abstract

Koji Sugioka. Will GHz burst mode create a new path to femtosecond laser processing? Int. J. Extrem. Manuf. 3, 043001(2021).
引用本文:

Koji Sugioka. Will GHz burst mode create a new path to femtosecond laser processing? Int. J. Extrem. Manuf. 3, 043001(2021).

Koji Sugioka. Will GHz burst mode create a new path to femtosecond laser processing? Int. J. Extrem. Manuf. 3, 043001(2021).
Citation: Koji Sugioka. Will GHz burst mode create a new path to femtosecond laser processing? Int. J. Extrem. Manuf. 3, 043001(2021).
参考文献 (14)

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