GHz突发模式飞秒激光脉冲可以创建独特的二维周期性表面纳米结构

在RIKEN高级光子学中心(RAP)从事激光应用研究的科学家们已经证明，GHz突发模式飞秒激光脉冲可以在硅基板上创建独特的二维(2D)激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。

此前，由先进激光加工研究团队的研究人员领导的团队报告说，由一系列脉冲间隔为数百皮秒(ps)的超短激光脉冲组成的GHz突发模式飞秒激光脉冲大大改善了烧蚀与传统的飞秒激光加工(单脉冲模式)相比，效率和质量更高。

该团队发表在国际极限制造杂志(IJEM)上，应用GHz突发模式在硅基板上制造LIPSS，以展示GHz突发形成独特纳米结构的能力。他们已经证明，GHz突发模式飞秒激光脉冲可产生独特的2DLIPSS，这与传统的线偏振飞秒激光单脉冲模式制造的一维结构截然不同。

除了由方向垂直于激光偏振的单脉冲模式制造的1DLIPSS之外，还形成了另一个平行于偏振方向的周期性结构，以通过GHz半束模式创建类似格子的图案。这项研究的成果表明，GHz突发模式飞秒激光加工不仅对材料的烧蚀具有显着优势，而且对其他类型的加工(例如LIPSS形成)也具有显着优势，这为微纳米加工开辟了一条新途径。

该团队进一步提出了由GHz突发模式形成的2DLIPSS形成的可能机制，这被认为是电磁和流体动力学机制的协同贡献。具体而言，由先前脉冲形成的1DLIPSS纳米槽内的突发中后续脉冲的局部表面等离子体共振产生具有高度增强电场的热点，从而产生2DLIPSS。

此外，包括对流在内的流体动力学不稳定性决定了2DLIPSS的最终结构。基于这一假设，他们通过定制GHz突发包络成功创建了定义明确的2DLIPSS。

LIPSS的形成是一种众所周知的现象，即使在空气中，只需用多个线性偏振激光束脉冲照射材料表面，即可在各种固体表面上实现这一现象。重要的是，LIPSS可以使材料表面功能化，以实现表面着色、减少摩擦、控制表面润湿性等，这在工业应用中引起了相当大的兴趣。

支持2DLIPSS制造的GHz突发模式的能力将为形成更多功能化表面提供可能性，从而使应用多样化并加速商业化。

通讯作者KojiSugioka教授表示：“Ilday小组在2016年报道的GHz突发模式飞秒激光脉冲可以提高烧蚀效率并改善烧蚀质量的结果颠覆了常识，对激光材料界产生了重大影响紧接着，包括我们课题组在内的一些课题组开始对不同类型的材料进行GHz突发模式烧蚀实验，以进行更详细的研究。

“在GHz突发模式烧蚀研究过程中，我们认为与单脉冲模式相比，更受控制的能量沉积也可能为其他种类的材料加工提供一些优势。然后，我们将GHz突发模式应用于LIPSS形成并成功地展示了有趣的结果。”

“获得的结果可能为GHz突发模式用于除烧蚀以外的处理提供新的可能性，包括微键合、结晶、抛光、双光子聚合和内部光波导写入。因此，我们相信GHz突发模式将为飞秒激光加工。”

共同作者之一宫地五代教授表示，“超短脉冲激光减材制造是由材料内部的非线性光学吸收、电子-电子散射和电子-晶格散射等能量转移以及声子等三种主要现象引起的此处，材料激发态的弛豫时间在飞秒到亚微秒范围内。GHz突发模式与处于松弛状态的激发材料相互作用。”

“它不仅有望通过瞬时改变其介电常数来诱导有效和特定的光吸收，而且还可以在高压和高温条件下诱导电磁机械相互作用。这是一个独特的物理过程，无法通过实现和控制传统的单脉冲模式，有望开辟新的科学技术领域，包括实现新颖的烧蚀形状和通过新颖的键合结构变化创造新材料。”