带有BiBurst的飞秒激光器将硅的烧蚀速度提高了23倍

较高的激光强度是提高烧蚀速度的首选，而它由于产生过多的热量和空气电离而对烧蚀质量有不利的影响。飞秒激光的BiBurst模式，是在MHz脉冲中结合了GHz脉冲，在BiBurst脉冲能量高于传统辐照方案（单脉冲模式）诱发空气电离的脉冲能量时，成功地防止空气击穿。在避免空气电离的条件下，BiBurst模式使我们能够将消融速度提高23倍，而不会使消融质量恶化，与单脉冲模式消融相比。资料来源：Kotaro Obata, Francesc Caballero-Lucas, Shota Kawabata, Godai Miyaji 和 Koji Sugioka。

在日本理化学研究所先进光子学中心（RAP）从事激光应用研究的科学家们采用了一种新技术，使用GHz的飞秒激光脉冲分组在MHz的包络中--称为BiBurst模式--极大地提高了硅的烧蚀速度，而不会使烧蚀质量恶化。

发表在《国际极端制造杂志》（IJEM）上，由先进激光加工研究小组的研究人员领导的团队利用BiBurst模式成功地提高了硅微加工的吞吐量，用于实际应用。

该团队已经证明，在避免空气电离的条件下，BiBurst模式可以以比单脉冲模式快23倍的烧蚀速度对硅进行蚀刻，而不会使烧蚀质量恶化。提高烧蚀速度对于提高实际应用的产量是非常可取的。因此，这些发现不仅对基础科学家而且对工业界人士都有很大的影响。

在以前的工作中，该团队报告说，与单脉冲模式相比，BiBurst模式的飞秒激光脉冲提高了晶体硅的烧蚀效率和质量。在GHz脉冲中，入射的飞秒激光脉冲串具有几百皮秒（ps）的极短脉冲间歇，控制硅上的时间性能量沉积，以提高烧蚀效率和质量。

然后，该团队进一步探索了在明显更高的BiBurst脉冲能量下对硅进行高通量微加工的能力，这相当于BiBurst脉冲中每个脉冲的综合能量。

重要的是，BiBurst脉冲中每个飞秒激光脉冲（脉冲内）的能量明显小于传递相同总激光能量时单脉冲模式的脉冲能量。对于单脉冲模式，由于空气电离，在强度超过临界值时，烧蚀表面会受到严重破坏。相比之下，BiBurst模式由于其较低的脉冲内强度，可以提供高得多的总能量来烧蚀硅而不诱发空气电离。

因此，在避免空气电离的条件下，由于更高的总能量和更高的烧蚀效率的协同效应，BiBurst模式实现了23倍的烧蚀速度。此外，通过BiBurst对能量沉积的时间控制，即使在如此高的总能量下也能保持高的烧蚀质量。

 

研究小组提出，通过连续的脉冲内的协作贡献，可以实现GHz脉冲的更高消融效率。具体来说，脉冲串中的前几个脉冲由于产生自由电子而为后几个脉冲产生瞬时吸收点，以提高烧蚀效率。

另一方面，当脉冲内能量超过单脉冲模式的消融阈值能量时，消融效率逐渐下降，因为单个脉冲内可以直接诱发消融。在这个制度下，由于连续的脉冲内的协作贡献而提高的消融效率不再是预期的。

BiBurst模式中较低的脉冲内能量不仅可以避免空气电离，而且可以保持较高的烧蚀效率，从而达到比GHz突发或单脉冲模式的单个脉冲更高的烧蚀速度。

因此，BiBurst模式烧蚀有可能为硅微加工的实际应用提供高得多的产量，同时保持高质量。

通讯作者Koji Sugioka教授说："GHz突发模式飞秒激光消融的第一个演示是由Ilday小组在2016年实现的。他们表明，由于其高效的能量沉积（高出一个数量级），GHz突发模式消融可以提高消融效率。这些结果高度影响了激光微观和纳米加工界，多个研究小组跟随他们研究了GHz突发模式消融。"

"虽然烧蚀效率是实际使用的重要因素之一，但每个脉冲更高的烧蚀率对提高产量更为关键。原则上，增加激光强度可以提高消融率。然而，较高强度的飞秒激光脉冲往往会因空气电离和过度发热而受到附带的损害。"

"我们首次表明，飞秒激光的GHz/MHz BiBurst模式有可能在不降低消融质量的情况下大幅提高产量。我们预计，BiBurst模式的飞秒激光加工将改写飞秒激光加工的常识，克服工业应用中的瓶颈。"

 

参考资料：Kotaro Obata et al, GHz bursts in MHz burst (BiBurst) enabling high-speed femtosecond laser ablation of silicon due to prevention of air ionization, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acc0e5

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