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. Neuenschwander，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飞秒以下的脉冲宽度。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，实际工业应用则被更可靠、更经济的镱基飞秒激光器所取代，这类激光器的输出脉冲宽度通常为500-900飞秒，几乎无法达到100飞秒。
低于 100 飞秒的脉冲对材料加工和烧蚀有用吗？在首次原理验证实验中，我们通过实验证明，更短的脉冲有利于透明材料的烧蚀。
实验设置
我们的实验装置如下所述。Carbide 激光器（光转换）的输出光束与 n2-Photonics 的 MIKS1_S 脉冲缩短模块进行模式匹配。250 fs 的输出脉冲在 MIKS1_S 脉冲缩短模块的输出端被压缩至 50 fs 以下。之后，我们实施了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，输出脉冲在样品/目标上仍然被压缩。此外，我们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，光束被扩展并送入扫描头和 f=100 mm 的 f-theta 物镜。主要的色散贡献来自 f-Theta 物镜。经 f-Theta 物镜测量，脉冲长度为 57 fs（高斯拟合）。我们没有进一步优化脉冲持续时间，继续进行实验。
实验结果
初步实验表明，在蓝宝石和紫外级熔融石英等透明材料的烧蚀方面，尤其是在边缘质量方面，取得了显著改善，呈现出干净无崩边的边缘。样品上的光斑半径为15微米。光为圆偏振光。激光重复频率固定为800 kHz，峰值能量密度从阈值增加到几焦耳/平方厘米。加工边长为1毫米的正方形，光斑和线距p_x=p_y=5微米，单位面积脉冲数固定。扫描速度为4米/秒。
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能量密度，过程的粗糙度几乎保持不变。
对于 Δ𝜏=57 𝑓𝑠 和 Δ𝜏=100 𝑓𝑠 来说较小。
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，无可见碎裂，分别为 23.3 𝑊
低于 100 fs 的脉冲具有较高的边缘质量和较高的平均功率。
结论
我们演示了一项实验，该实验使用约 50 fs 的脉冲宽度烧蚀蓝宝石、钠石灰和熔融石英等透明材料。超短激光脉冲可以显著提高边缘质量。这得益于 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、创新并对新应用感到兴奋。