Inom området ultrafast lasermaterialbearbetning har extrem kontroll över bearbetningsskala alltid varit en av kärnutmaningarna på fältet. Med in - djuputvecklingen av nanoskala laserbearbetningsteknologi har det inneboende gränsproblemet med laserbearbetning blivit ett gränsämne som är oroande i det akademiska samfundet. Considering the laser focal spot limitation caused by the diffraction effect, the key to achieving super-diffraction nanoprocessing is to use laser-induced self-assembled scatterers to convert laser far-field radiation into near-field components. Därför förväntas inte bara att reglera lasers beteende i fjärrfältet och nära fält bryta igenom den traditionella optiska diffraktionsgränsen och uppnå nanoskala ultrafast materialmodifiering, utan också för att uppnå en enastående upplösning av flera nanometer, öppna en ny väg för optiska medel för att uppnå atomisk - nivå.
In the paper "Ultrafast Laser High Aspect Ratio Extreme Nanostructure Processing of Glass Materials Beyond λ/100" to be published in Ultrafast Science, a joint team of Professor Cheng Guanghua from Northwestern Polytechnical University and Researcher Razvan Stoian from Hubert Curien Laboratory of the French National Center for Scientific Research reported a breakthrough laser processing technology - the processing feature size can Var lägre än 1/100 av våglängden för nära - infraröda ultrafasta lasrar, når nanometernivån och kan bibehålla denna funktionsstorlek i djupriktningen för tiotals mikron. Denna teknik använder en icke -- tätt fokuserad lång - fokus djup non - diffraktionsstråle för att inducera nära - fält nanoskala material ablation, och därigenom etablera en nanoskala materialismmekanism. Denna ultrasnabba laser extrema nanoprocesseringsteknologi har diversifierade applikationsutsikter i två - dimensionella och tre - dimensionella nivåer, som täcker flera fält som fotonik, kvantinformation, avkänningsteknik och till och med biomedicin.
De relevanta forskningsresultaten publicerades nyligen i Science Partner Journal Ultrafast Science under titeln "Ultrafast Laser High - aspekt - Ratio Extrem nanostrukturering av glas utöver λ/100".
Forskningsöversikt
The principle schematic diagram of non-diffraction ultrafast Bessel beam direct writing nanoporous structure scatterers and nanowires with a line width of 10nm on quartz glass is shown in Figure 1. The hollow nanostructure induced by a single-pulse non-diffraction ultrafast Bessel beam has a high refractive index Gradient, som kan ge stark spridning av det ultrafasta laserfältet. Dess nära fält innehåller två huvudkomponenter: en nära - fältytkomponent och en intern nära - fältkomponent med liknande distributionsegenskaper. I riktningen vinkelrätt mot laserpolariseringen visar fältet Nära -} en fältförbättringsfunktion på bättre än 50%. I den riktning som är parallell med laserpolariseringen visar emellertid den nära - fältintensitetsfördelningen en betydande dämpning, som effektivt undertrycker lasern - materia -interaktion i denna riktning. Denna asymmetriska nära - fältfördelningsfunktion kommer att förbättras ytterligare under skanningsprocessen för laserpulssekvensen, och genom kontinuerlig utveckling kommer den att främja förlängningen av porstrukturen i riktningen vinkelrätt mot laserpularisationen. Därför visar denna mekanism genomförbarheten av extrem nanoskala bearbetning genom svagt konvergerade stora fokalfläckar.
Figur 1: (a) Cross - Avsnittet i en typisk nanopore inducerad i smält kiseldioxid av en svagt konvergerad enkel - puls non - diffraherande Gauss - Bessel -balk. Dessa porstrukturer kan sträcka sig till provets bakyta. Denna porstruktur kan induceras under ett relativt brett spektrum av konvinklar, pulsbredd och laservåglängder. Detta nanodeep -hål kommer att producera ett betydande nära - fältmodulering av det infallande laserfältet, så att fältets intensitet i området intill nanohålet ökas avsevärt i riktningen vinkelrätt mot laserpolariseringen, och denna funktion alltid finns längs nanohålets djupriktning. (b) Användning av en ultrafast laser med en våglängd på 1030 nm och en pulsbredd på 2PS och en repetitionshastighet på 333 kHz skrevs en nanowire med en bredd av cirka 15 nm med en hastighet av 1,2 mm/s.
För att studera bearbetningsmekanismen för extrem - skala nanogroover under verkan av flera pulser konstruerade detta arbete en multi - fysikfältmodell under den kumulativa verkan av flera pulser. Således analyseras energiavlagrings- och värmekonverteringsprocessen när olika tidpulser verkar på materialet under fokusrörelseprocessen. Från den icke -linjära laserenergiavlagringsfördelningen kan det erhållas att i fältets förbättringsregion i nära -} som induceras av porstrukturspridning kan den lokala temperaturen inducerad av laserenergi nå mer än 3000K, vilket är tillräckligt för att inducera ett fenomen som liknar laserytan ablation om den inre väggen av nano {{6} djup. Som ett resultat, när flera pulser ackumuleras, eroderar det lokalt förbättrade nära - fältfronten kontinuerligt den inre väggen i nano - djupt hål och därmed bildar en nano - djup spårstruktur. Under nanogroove -bearbetningsprocessen visar spårbredden en trend att minska med ökningen av deponeringspulslinjetätheten. Eftersom ablation och utvidgning av nanogroove huvudsakligen har sitt ursprung i framkant av det förbättrade nära fältet, som har en högre rumslig lokalisering, kan bredden på nanogroove skriven av den ultrafasta lasern till och med vara mindre än diametern för startporstrukturens spridare.
Figur 2: (a) Ytan och (b) Djupkors - Avsnitt som skannar elektronmikrografer av nanogroove skriven av den ultrasnabba lasern på provets bakre yta. När laserfokuset rör sig vinkelrätt mot laserpolarisationsriktningen, verkar det (C) olinjära laserflödet och (d) temperaturfördelningen av provet bakytan vid olika tidspulser. (e) Icke -linjär laserflödesfördelning på djupet tvärsnittet när den ultrafasta lasern verkar på nano - djupt hål.
