具有GHz突发MHz突发的飞秒激光器将硅的烧蚀速度提高了23倍

在RIKEN 高级光子学中心 (RAP) 从事激光应用研究的科学家采用了一种新技术，该技术使用 GHz 突发的飞秒激光脉冲，这些脉冲以 MHz 包络分组，称为 BiBurst 模式，可大大提高硅的烧蚀速度，而不会降低烧蚀质量。

由高级激光加工研究团队的研究人员领导的团队发表在 《国际极限制造杂志》 (IJEM) 上，他们使用 BiBurst 模式成功地通过烧蚀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 倍的烧蚀速度蚀刻硅，而不会降低烧蚀质量。提高消融速度非常需要提高实际应用的吞吐量。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影响。

在之前的工作中，该团队报告说，与单脉冲模式相比，BiBurst 模式飞秒激光脉冲提高了晶体硅的烧蚀效率和质量。在 GHz 爆发中，飞秒激光脉冲序列具有数百皮秒 (ps) 的极短脉冲到脉冲间隔，控制硅上的时间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显着更高的 BiBurst 脉冲能量下对硅进行高通量微加工的能力，该脉冲能量对应于 BiBurst 脉冲中每个脉冲的积分能量。

重要的是，当传输相同的总激光能量时，BiBurst 脉冲中每个飞秒激光脉冲(脉冲内)的能量明显小于单脉冲模式的脉冲能量。对于单脉冲模式，由于空气电离，烧蚀表面在超过临界值的强度下严重损坏。相比之下，BiBurst 模式可以提供更高的总能量来烧蚀硅，而不会由于其较低的脉冲内强度而引起空气电离。

因此，在避免空气电离的条件下，与单脉冲模式相比，由于更高的总能量和更高的消融效率的协同效应，BiBurst 模式实现了高 23 倍的消融速度。此外，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消融质量。

该团队提出，通过连续脉冲内的协作贡献可以实现 GHz 突发的更高消融效率。具体而言，由于自由电子的产生，突发中的前一个脉冲内脉冲会为后续的脉冲内脉冲产生瞬态吸收位点，以提高烧蚀效率。

另一方面，随着脉冲内能量超过单脉冲模式的消融阈值能量，消融效率逐渐降低，因为单个脉冲内可以直接诱发消融。由于连续脉冲内的协作贡献而提高的消融效率在该制度中不再期望。BiBurst 模式下较低的脉冲内能量不仅可以避免空气电离，还可以保持较高的烧蚀效率，从而实现比 GHz 突发或单脉冲模式的单脉冲更高的烧蚀速度。

因此，BiBurst 模式烧蚀有可能提供更高的吞吐量，同时为硅微加工的实际应用保持高质量。

较高强度的飞秒激光脉冲经常会因空气电离和过热而受到附带损坏。我们首次表明，飞秒激光器的 GHz/MHz BiBurst 模式有可能在不降低烧蚀质量的情况下显着提高吞吐量。我们期待BiBurst模式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。”

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