Hochauflösende Bearbeitung von einkristallinem Saphir durch Femtosekundenlaser-induzierte und plasmaunterstützte Ablation

Eine neue Studie in Optoelektronische Fortschritte diskutiert die hochauflösende Bearbeitung von einkristallinem Saphir durch Femtosekundenlaser-induzierte plasmaunterstützte Ablation im GHz-Burst-Modus.

Der GHz-Burst-Mode-Femtosekundenlaser (fs)-Laser, der eine Reihe von Pulsfolgen (Burst-Puls) mit extrem kurzen Intervallen von mehreren hundert ps aussendet, bietet im Vergleich zum herkömmlichen fs-Laser (Einzelpulsmodus) deutliche Eigenschaften in der Materialbearbeitung. Die Autoren der neuen Studie zeigten, dass der GHz-Burst-Mode-FS-Laser die Effizienz, Qualität und Geschwindigkeit der Ablation deutlich verbessert. Der fs-Laser im GHz-Burst-Modus wurde zur Oberflächennanostrukturierung eingesetzt und zeigte die Bildung einzigartiger zweidimensionaler (2D) periodischer Oberflächenstrukturen, die sich von den durch den Einzelpulsmodus hergestellten 1D-Strukturen unterscheiden.

Die Autoren nutzten die spezifischen Eigenschaften des fs-Lasers im GHz-Burst-Modus für die hochauflösende Bearbeitung von einkristallinem Saphir mit dieser ursprünglichen Technik, die als laserinduzierte plasmaunterstützte Ablation (LIPAA) bezeichnet wird. Einkristalliner Saphir ist aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wie hoher Transparenz im sichtbaren Bereich, hoher Härte und gutem thermischen Widerstand ein attraktives Material für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.

Allerdings erschweren die hervorragenden Eigenschaften von Saphir eine qualitativ hochwertige und präzise Verarbeitung. Beim LIPAA-Verfahren wird ein für den Laserstrahl transparentes Substrat auf einem Metallziel, beispielsweise Kupfer, platziert. Die Wechselwirkung des Laserstrahls und des vom Target erzeugten Plasmas ermöglicht eine hocheffiziente Ablation der Rückseite transparenter Materialien.

Der LIPAA-fs-Laser im GHz-Burst-Modus ermöglicht aufgrund des moderaten Intervalls jedes Pulses im Burst-Puls eine direkte Wechselwirkung des durch vorherige Laserpulse induzierten Plasmas mit nachfolgenden Laserpulsen, wodurch eine hohe Effizienz und eine überlegene Ablationsqualität sowie eine bessere Fertigungsauflösung erreicht werden. Damit demonstriert es das Potenzial des LIPAA-fs-Lasers im GHz-Burst-Modus für die Mikrofertigung einkristalliner Saphirsubstrate mit hoher Qualität und hoher Ausbeute.

Der GHz-Burst-Mode-FS-Laser sendet eine Reihe von Impulsfolgen mit extrem kurzen Intervallen von mehreren hundert ps aus. Hier wird die einzelne Impulsfolge Burst-Puls genannt und jeder Impuls des Burst-Pulses wird Intra-Puls genannt. In den Experimenten wurde ein einkristallines Saphirsubstrat mit einem Kupfertarget in Kontakt gebracht und ein einzelner Burst-Impuls durch das Saphirsubstrat auf das Kupfertarget gestrahlt. Der moderate Pulsabstand im GHz-Burst-Puls könnte eine direkte Wechselwirkung der folgenden Laserpulse mit dem von den vorherigen Laserpulsen erzeugten Plasma an der Grenzfläche zwischen Saphirsubstrat und Kupfertarget ermöglichen.

Für den GHz-Puls-LIPAA-Prozess hängt die Ablationstiefe vom Intra-Puls-Fluss und der Anzahl der Intra-Puls-Pulse, P, ab. Natürlich zeigen Variationen in der Ablationstiefe als Funktion des Intra-Puls-Energieimpulses, dass der höchste Intra-Puls -Pulsfluss führt zu einer Erhöhung der Ablationstiefe. Es ist wichtig zu beachten, dass die Ablationstiefe erheblich zunimmt, wenn die Anzahl der Intrapulsimpulse 5 beträgt. Das Zeitintervall zwischen dem ersten und dem fünften Intrapulsimpuls beträgt etwa 1 ns.

Der drastische Anstieg der Ablationstiefe ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Plasmadichte etwa 1 ns nach der ersten Intrapulsbestrahlung hoch genug wird, um zum LIPAA-Prozess beizutragen. Insbesondere im Fall der Kupferablation ist bekannt, dass die Erzeugung von laserinduziertem Plasma 10 bis 50 ps nach der Laserpulsbestrahlung beginnt und seine Dichte dann bei etwa 1 ns maximiert wird, an welchem ​​Punkt der fünfte Puls effektiv interagieren kann mit Plasma, um die Ablationstiefe deutlich zu erhöhen.

Die Autoren fanden außerdem heraus, dass die Ablationsschwelle im Vergleich zur direkten fs-Laserablation im Einzelpulsmodus auf 1/7,3 sinkt. Darüber hinaus wurde die Ablationstiefe im Vergleich zu LIPAA im Einzelpulsmodus um den Faktor 4,2 bis 5,0 erhöht. Wichtig ist, dass die erhöhte Absorption zu einer deutlich besseren Ablationsqualität führte. Darüber hinaus verbessert der LIPAA-Prozess im GHz-Burst-Modus die Fertigungsauflösung weit über die Größe des fokussierten Laserpunkts hinaus, da der Schwellenwerteffekt und die höhere Plasmadichte näher am Zentrum des Laserstrahls synergetisch wirken.

Daraus kann geschlossen werden, dass der LIPAA-Prozess im GHz-Burst-Modus die Möglichkeit bietet, die Mikro- und Nanofertigung von Saphiren mit hoher Verarbeitungseffizienz, hoher Verarbeitungsqualität und hoher Fertigungsauflösung zu realisieren. Dieser Prozess kann auf die Behandlung anderer transparenter Materialien ausgeweitet werden. Die Verwendung geformter Strahlen wie Bessel-Strahl und Vektorstrahl wird die Leistung von LIPAA in Bezug auf Fertigungsgeometrie, Auflösung und Effizienz verbessern.