帶有BiBurst的飛秒激光器將硅的燒蝕速度提高了23倍

較高的激光強(qiáng)度是提高燒蝕速度的首選，而它由于產(chǎn)生過多的熱量和空氣電離而對燒蝕質(zhì)量有不利的影響。飛秒激光的BiBurst模式，是在MHz脈沖中結(jié)合了GHz脈沖，在BiBurst脈沖能量高于傳統(tǒng)輻照方案（單脈沖模式）誘發(fā)空氣電離的脈沖能量時，成功地防止空氣擊穿。在避免空氣電離的條件下，BiBurst模式使我們能夠?qū)?a href='//www.legaljudicial.org.cn/sys-nd/161.html' title='腫瘤激光消融技術(shù)市場愈發(fā)壯大---深圳鐳爾特光電' target='_blank'>消融速度提高23倍，而不會使消融質(zhì)量惡化，與單脈沖模式消融相比。資料來源：Kotaro Obata, Francesc Caballero-Lucas, Shota Kawabata, Godai Miyaji 和 Koji Sugioka。

在日本理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心（RAP）從事激光應(yīng)用研究的科學(xué)家們采用了一種新技術(shù)，使用GHz的飛秒激光脈沖分組在MHz的包絡(luò)中--稱為BiBurst模式--極大地提高了硅的燒蝕速度，而不會使燒蝕質(zhì)量惡化。

發(fā)表在《國際極端制造雜志》（IJEM）上，由先進(jìn)激光加工研究小組的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊利用BiBurst模式成功地提高了硅微加工的吞吐量，用于實際應(yīng)用。

該團(tuán)隊已經(jīng)證明，在避免空氣電離的條件下，BiBurst模式可以以比單脈沖模式快23倍的燒蝕速度對硅進(jìn)行蝕刻，而不會使燒蝕質(zhì)量惡化。提高燒蝕速度對于提高實際應(yīng)用的產(chǎn)量是非?？扇〉摹Ｒ虼?，這些發(fā)現(xiàn)不僅對基礎(chǔ)科學(xué)家而且對工業(yè)界人士都有很大的影響。

在以前的工作中，該團(tuán)隊報告說，與單脈沖模式相比，BiBurst模式的飛秒激光脈沖提高了晶體硅的燒蝕效率和質(zhì)量。在GHz脈沖中，入射的飛秒激光脈沖串具有幾百皮秒（ps）的極短脈沖間歇，控制硅上的時間性能量沉積，以提高燒蝕效率和質(zhì)量。

然后，該團(tuán)隊進(jìn)一步探索了在明顯更高的BiBurst脈沖能量下對硅進(jìn)行高通量微加工的能力，這相當(dāng)于BiBurst脈沖中每個脈沖的綜合能量。

重要的是，BiBurst脈沖中每個飛秒激光脈沖（脈沖內(nèi)）的能量明顯小于傳遞相同總激光能量時單脈沖模式的脈沖能量。對于單脈沖模式，由于空氣電離，在強(qiáng)度超過臨界值時，燒蝕表面會受到嚴(yán)重破壞。相比之下，BiBurst模式由于其較低的脈沖內(nèi)強(qiáng)度，可以提供高得多的總能量來燒蝕硅而不誘發(fā)空氣電離。

因此，在避免空氣電離的條件下，由于更高的總能量和更高的燒蝕效率的協(xié)同效應(yīng)，BiBurst模式實現(xiàn)了23倍的燒蝕速度。此外，通過BiBurst對能量沉積的時間控制，即使在如此高的總能量下也能保持高的燒蝕質(zhì)量。

研究小組提出，通過連續(xù)的脈沖內(nèi)的協(xié)作貢獻(xiàn)，可以實現(xiàn)GHz脈沖的更高消融效率。具體來說，脈沖串中的前幾個脈沖由于產(chǎn)生自由電子而為后幾個脈沖產(chǎn)生瞬時吸收點，以提高燒蝕效率。

另一方面，當(dāng)脈沖內(nèi)能量超過單脈沖模式的消融閾值能量時，消融效率逐漸下降，因為單個脈沖內(nèi)可以直接誘發(fā)消融。在這個制度下，由于連續(xù)的脈沖內(nèi)的協(xié)作貢獻(xiàn)而提高的消融效率不再是預(yù)期的。

BiBurst模式中較低的脈沖內(nèi)能量不僅可以避免空氣電離，而且可以保持較高的燒蝕效率，從而達(dá)到比GHz突發(fā)或單脈沖模式的單個脈沖更高的燒蝕速度。

因此，BiBurst模式燒蝕有可能為硅微加工的實際應(yīng)用提供高得多的產(chǎn)量，同時保持高質(zhì)量。

通訊作者Koji Sugioka教授說："GHz突發(fā)模式飛秒激光消融的第一個演示是由Ilday小組在2016年實現(xiàn)的。他們表明，由于其高效的能量沉積（高出一個數(shù)量級），GHz突發(fā)模式消融可以提高消融效率。這些結(jié)果高度影響了激光微觀和納米加工界，多個研究小組跟隨他們研究了GHz突發(fā)模式消融。"

"雖然燒蝕效率是實際使用的重要因素之一，但每個脈沖更高的燒蝕率對提高產(chǎn)量更為關(guān)鍵。原則上，增加激光強(qiáng)度可以提高消融率。然而，較高強(qiáng)度的飛秒激光脈沖往往會因空氣電離和過度發(fā)熱而受到附帶的損害。"

"我們首次表明，飛秒激光的GHz/MHz BiBurst模式有可能在不降低消融質(zhì)量的情況下大幅提高產(chǎn)量。我們預(yù)計，BiBurst模式的飛秒激光加工將改寫飛秒激光加工的常識，克服工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸。"

參考資料：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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