玻璃激光微加工基础研究
采用低于 100 fs 的脉冲和工业级激光系统
白皮书
B. Neuenschwander¹、Ch. Nussbaum¹、SM Remund¹、A. Malki1、C. Franke²、K. Fritsch²、D. Ballukonis³、U. Hoechner³
¹ 应用激光、光子学和表面技术研究所 ALPS
² n2-光子学
³ 光转换
问题
长期以来，只有钛宝石激光系统才能达到 100 fs 以下的水平。这些激光系统在研究实验室环境中实现了大量的原理验证实验。然而，工业中的实际应用被更可靠、更经济的 Yb 基飞秒激光器所取代，这种激光器几乎无法达到 100 fs 的输出脉冲持续时间，通常以 500-900 fs 的速度运行。
低于 100 fs 的脉冲对材料加工和烧蚀有用吗？在第一个原理验证实验中，我们通过经验表明，更短的脉冲有利于透明材料的烧蚀。
实验装置
我们的实验设置如下所述。Carbide 激光器（光转换）的输出光束与 n2-Photonics 的 MIKS1_S 脉冲缩短模块模式匹配。250 fs 的输出脉冲在 MIKS1_S 脉冲缩短模块的输出处被压缩到 <50 fs 以下。之后，我们实施额外的无源压缩器或色散预补偿单元，以确保经过多个光学元件后，输出脉冲仍然被压缩在样品/目标上。此外，还实施了一个由半波片和薄膜偏振器组成的衰减单元。之后，光束被扩展并发送到扫描头和 f=100 mm f-theta 物镜中。主要的色散贡献来自 f-Theta 物镜。测量到 f-Theta 物镜后的脉冲为 57 fs（高斯拟合）。我们没有进一步优化脉冲持续时间，而是继续进行实验。
实验结果
初步实验表明，透明材料（如蓝宝石和紫外线级熔融石英）的烧蚀效果显著改善，尤其是边缘质量，边缘干净无碎裂。样品上的点光束半径为 15 微米。光是圆偏振的。激光重复率固定为 800 kHz，峰值能量密度从阈值增加到几 J/cm²。边长为 1 毫米的正方形，光斑和线距 p_x=p_y=5 µm，每个面积的脉冲数固定。扫描速度为 4 m/s。
紫外级熔融石英
蓝宝石
蓝宝石和熔融石英烧蚀的主要发现是：
Δ𝜏=57 𝑓𝑠 和 Δ𝜏=100 𝑓𝑠 的消融阈值显著降低。
对于高于阈值的峰值通量，过程的粗糙度几乎保持恒定。
对于 Δ𝜏=57 𝑓𝑠 和 Δ𝜏=100 𝑓𝑠 较小。
对于较短的脉冲持续时间 Δ𝜏=57 𝑓𝑠 和 Δ𝜏=100 𝑓𝑠，边缘质量得到极大改善。
脉冲持续时间为 57 𝑓𝑠，平均功率为 28 𝑊，无明显碎裂，分别为 23.3 𝑊
低于 100 fs 的脉冲与高平均功率相结合可实现高边缘质量。
结论
我们演示了一项实验，该实验使用约 50 fs 持续时间的脉冲烧蚀蓝宝石、钠石灰和熔融石英等透明材料。使用超短激光脉冲可以实现明显更好的边缘质量。这要归功于 Light Conversion 的工业级激光器和 n2-Photonics 的脉冲缩短/压缩模块的结合。
感谢 Beat Neuenschwander 教授使这些实验得以实现、创新并对新的应用感到兴奋。