日本研究团队利用GHz飞秒脉冲创建独特表面结构

飞秒激光脉冲可以对材料表面进行各种物理修饰，从而可以潜在地提高材料的物理性能。现如今，激光蚀刻和激光烧蚀越来越被业界所接受。此前，在美国罗切斯特大学进行的飞秒激光处理表面研究中，经飞秒激光处理过的材料表面能够充当高温吸收剂以提高热电发电效率。

近日，日本理化学研究所先进光子中心（RAP）的一个项目现在已经证明了，在GHz频率下以突发模式工作的飞秒光源如何在硅衬底上创建出独特的二维激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。

据报道，这项工作建立在之前RAP研究的基础上，即飞秒激光脉冲序列与传统的单脉冲方法相比如何提高表面烧蚀的效率和质量。GHz脉冲模式对烧蚀也很有吸引力，因为它改善了远离加工区域的热扩散，从而提高了烧蚀效率。另外，RAP还研究了同样的激光脉冲是否也能产生更复杂的效果。

GHz突发模式飞秒激光脉冲在平行和垂直于激光偏振方向上创造出独特的二维周期性表面结构

正如《极端制造》杂志所报道的那样，这种新方法比更简单的烧蚀操作创造了更复杂的表面纳米结构，而后者一直是许多表面改性研究的重点。新工艺有可能为微观和纳米制造开辟一条新的途径。

“LIPSS的形成是一个众所周知的现象，通过用线性偏振激光器的多个脉冲照射材料表面，甚至在空气中，在不同的固体表面上实现，”RAP研究团队评论道，“GHz突发模式能够实现二维的LIPSS制造，将提供形成更多功能化表面的可能性，从而使应用多样化。”

飞秒激光加工的新商业应用

在晶体硅的试验中，GHz脉冲不仅能够产生垂直于激光偏振的一维结构，即单脉冲模式下的激光所产生的那种结构，而且还能够产生与偏振平行的其他周期性结构，从而形成二维的晶格图案。

根据RAP研究团队的说法，超短脉冲激光在表面的复杂作用涉及三个不同的非线性吸收过程，包括能量转移、声子激发和物理消融。在传统的单脉冲源中，这些相互作用发生在激光和静态材料之间。但在GHz脉冲中，每个脉冲都与前一个脉冲中处于松弛状态的激发材料相互作用，这可能产生相当不同的结果。

使用GHz突发模式飞秒激光脉冲形成LIPSS的实验装置示意图

RAP研究团队表示，这是一个独特的物理过程，然而对于传统的单脉冲模式却无法实现和控制。通过新的工艺方法可能会产生新的烧蚀形状，并通过新的结合结构变化产生新的材料。

RAP预计，如果二维LIPSS的制造提供了具有多样化应用的功能化表面，那么该研究的商业化可能很快就会到来。

RAP的Koji Sugioka说：“这些结果可能为GHz突发模式提供了除烧蚀以外加工的新可能性，包括微粘接、结晶、抛光、双光子聚合和内部光波导写入。我们相信，GHz突发模式将为飞秒激光加工开辟新的道路。”

论文PDF下载链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/acb133/pdf