Фемтосекундната лазерна технология за директно писане е вид микро-нано технология за обработка, която може да фокусира импулсен лазерен лъч върху повърхността или вътрешността на материала и да предизвика промяна в локалните свойства на материала чрез нелинейното взаимодействие на лазера с материал във фокусната област, който е широко използван в много области като микрофлуидика, микро-нано фотоника, интегрирана оптика и т.н. Традиционната фемтосекундна лазерна технология за директно писане има проблема с асиметрията между напречната разделителна способност на обработка и аксиалната разделителна способност, а аксиалната разделителна способност е очевидно удължена, което ограничава до известна степен приложението на фемтосекундния лазер в триизмерната обработка. През последните години, за да се балансира разликата между страничните и аксиалните разделителни способности на фемтосекундното лазерно директно писане, бяха предложени няколко техники за оформяне на лъча, като техника за оформяне на прорези, техника за оформяне на астигматизъм и техника за облъчване с напречен лъч. Нито една от тези техники обаче не може да постигне триизмерна изотропна обработка на базата на една леща на обектив.
Техниките за пространствено-времево фокусиране първоначално са разработени за приложения за биоизображения и са използвани в областта на фемтосекундната лазерна микрообработка. Технологията за фемтосекундно лазерно пространствено-времево фокусиране осигурява ново измерение на темпоралното фокусиране, което му позволява да се отличава с подобряване на разделителната способност на аксиалното производство и елиминиране на нелинейни ефекти на самофокусиране. Механизмът на технологията за пространствено-времево фокусиране е, че: различните спектрални компоненти на фемтосекундния лазер се разпръскват пространствено през двойки решетки, пространствено разпръснатата светлина след това се фокусира през лещата на обектива, различните спектрални компоненти се рекомбинират във фокусната точка и ширината на импулса се възстановява до фемтосекунден порядък на величина.
Понастоящем повечето от съществуващите проучвания за триизмерна микрообработка с фемтосекундно лазерно пространствено-времево фокусиране се основават на лазери с титанов скъпоценен камък с широка честотна лента и ниска честота на повторение, а ниската честота на повторение ограничава скоростта на лазерната обработка, така че прилагането на технология за пространствено-времево фокусиране към фемтосекунден лазерен светлинен източник с висока повтаряща се честота е неизбежно изискване за същевременно изпълнение на изискванията за високоефективна, триизмерна анизотропна обработка. Въпреки това честотната лента на фемтосекундни лазерни източници с висока повтаряща се честота обикновено е тясна, обемът на пространствената дисперсия въвежда голям брой отрицателни времеви пикове и самият лазер не може да осигури достатъчна времева компенсация, което води до ширината на импулса във фокусната точка не възможност за възстановяване до фемтосекунден порядък на величина, което ограничава приложението на технологията за пространствено-времево фокусиране до лазерна обработка с висока честота на повторение. Следователно, триизмерната изотропна обработка, базирана на високочестотна фемтосекундна лазерна технология за пространствено-времево фокусиране, трябва да осигури допълнителна компенсация във времето.
Акценти от изследванията
Екипът на проф. Yangjian Cai от Shandong Normal University и проф. Ya Cheng от Източнокитайския нормален университет си сътрудничат, за да предложат схема за компенсация на времето с допълнителна кухина за високочестотни лазери, която реализира високоефективна, триизмерна изотропна обработка въз основа на техниката на пространствено-времево фокусиране на високочестотни фемтосекундни лазерни източници на светлина. В тази работа импулсният разширител на Мартинез, изграден извън лазера, се използва за въвеждане на голям брой положителни във времето писукания, за да се разшири ширината на импулса до пикосекундния порядък на величината и след това пространствената дисперсия на еднопроходния решетъчен компресор (решетка двойка) и фокусирането на лещата на обектива осигурява рекомбинацията на различните спектрални компоненти във фокусната точка с ширина на импулса от фемтосекундния порядък на величината. Експерименталната система е показана на фиг. 1.
Фиг. 1 Схематична диаграма на триизмерно устройство за изотропна обработка, базирано на високочестотна фемтосекундна лазерна технология за пространствено-времево фокусиране
Добре известно е, че ефектът от фемтосекундната лазерна обработка се влияе от посоката на обработка, енергията на импулса и дълбочината на обработка и т.н. За да се провери дали устройството за пространствено-времево фокусиране има способността за триизмерна изотропна обработка, екипът на проф. Yangjian Cai и екипът на проф. Cheng Ya демонстрира оптичното напречно сечение на устройството в различни посоки, на различни дълбочини и обработено от различни импулсни енергии във фоточувствителното стъкло (както е показано на фиг. 2). Експерименталните резултати показват, че разделителната способност в различни посоки е еднаква и кръгова, а разделителната способност на 3D изотропна обработка (8-22 μm) е пропорционална на енергията на импулса и нечувствителна към дълбочината на обработка. Значението на тази работа се състои главно в комбинацията от висока ефективност на обработка и непрекъснато регулируема 3D изотропна разделителна способност на обработка, която осигурява ново техническо средство за лазерна обработка.
Фиг. 2 Влияние на различни посоки, импулсни енергии и дълбочини на обработка върху разделителната способност на обработката на системата за времево фокусиране.
За да демонстрира по-интуитивно способността за триизмерно производство на устройството за фокусиране на пространство-времето, изследователският екип комбинира технологията за фокусиране на пространство-времето с метода на постхимическата корозия, за да произведе различни триизмерни изотропни микрофлуидни структури вътре в фоточувствително стъкло. В сравнение с традиционната лазерна обработка, устройството има предимствата на висока ефективност, непрекъснато регулируема разделителна способност на 3D изотропна обработка, нечувствителност към дълбочината на обработка и т.н. Резултатите от това изследване се очаква да бъдат приложени към 3D микрофлуиден чип, производство на фотонни чипове, както и лазерен 3D печат и други области.
