日本理化學(xué)研究所(RIKEN)研究人員創(chuàng)造了GHz飛秒激光脈沖在晶體硅的表面形成獨特表面結(jié)構(gòu)，其研究成果發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

日本理化學(xué)研究所先進光子學(xué)中心(RAP)的一個項目演示了飛秒源如何在GHz頻率下在硅襯底上創(chuàng)建獨特的二維激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)。這種新方法比簡單的燒蝕工藝創(chuàng)造了更復(fù)雜的表面納米結(jié)構(gòu)，而燒蝕工藝一直是研究改變許多表面性能的焦點。

GHz飛秒激光脈沖由一系列脈沖間隔為幾百皮秒的超短激光脈沖組成，大多數(shù)使用GHz飛秒激光脈沖的研究都集中在材料的燒蝕上，以實現(xiàn)高效、高質(zhì)量地去除材料。在本研究中，研究人員研究了GHz飛秒激光在硅表面形成激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)的處理能力。研究人員發(fā)現(xiàn)GHz飛秒激光器創(chuàng)建了獨特的二維(二維)LIPSS。研究人員認為二維LIPSS的形成機制是電磁機制和流體動力機制的協(xié)同所形成。具體來說，在一維LIPSS的納米溝槽內(nèi)，通過后續(xù)脈沖的局部表面等離子體共振產(chǎn)生具有高度增強電場的熱點，從而形成二維LIPSS。

激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)是在固體材料表面通過多次線偏振激光脈沖照射而形成的自組織微納米結(jié)構(gòu)。LIPSS的周期和方向等特性取決于脈沖寬度、激光通量(脈沖能量)、激光偏振方向、激光波長、激光脈沖數(shù)和材料類型。LIPSS可以制備在各種類型的固體材料表面，包括金屬、半導(dǎo)體和聚合物。飛秒激光常產(chǎn)生周期小于波長一半的LIPSS，稱為高空間頻率LIPSS。此外，LIPSS的制造不需要任何特殊的環(huán)境，并且可以通過簡單的非接觸激光照射方案進行，這有利于工業(yè)應(yīng)用。

Giannuzzi等人用GHz脈沖模式在不銹鋼上演示了LIPSS的形成，顯示出與單脈沖模式相似的LIPSS的形成。 本文利用GHz飛秒激光脈沖在硅上形成LIPSS，通過與單脈沖模式相比，展示了GHz形成獨特納米結(jié)構(gòu)的能力，并討論了可能的形成機制。

圖1：使用GHz飛秒激光脈沖形成LIPSS的實驗裝置示意圖。

圖2:利用飛秒激光脈沖(a)， (f)單脈沖模式和(b) - (e)， (g) - (j) GHz在P為2到10的不同脈沖內(nèi)的硅表面上制備的微/納米結(jié)構(gòu)的SEM圖像。飛秒激光脈沖爆發(fā)的時間間隔為205皮秒， (a) - (e)和(f) - (j)的脈沖數(shù)N分別為50和200。每幅圖像下方顯示了產(chǎn)生LIPSS的脈沖的影響。

研究人員推測，二維LIPSS的形成歸因于局部表面等離子體共振(LSPR)在一維LIPSS的納米溝槽中產(chǎn)生的“熱點”。當(dāng)光束照射在金、銀等金屬的一維LIPSS上時，由于LSPR的作用，在一維LIPSS的納米溝槽中產(chǎn)生了電場高度增強的熱點。當(dāng)偏振方向垂直于一維LIPSS方向的光入射時，增強效果最大。如圖3(b)所示。在一維LIPSS中，納米槽的側(cè)壁周期性地產(chǎn)生熱點，并周期性地?zé)g側(cè)壁以生成二維LIPSS，如圖3(c)所示。

圖3：二維LIPSS形成機理示意圖:(a)爆發(fā)中最初的兩個內(nèi)脈沖產(chǎn)生一維 LIPSS， (b)第三個和隨后偏振方向垂直于一維 LIPSS的內(nèi)脈沖產(chǎn)生熱點，(c)熱點周期性地?zé)g側(cè)壁以產(chǎn)生二維 LIPSS。(d)實際由GHz處理生成的二維LIPSS示意圖。

在對晶體硅的試驗中，GHz脈沖不僅能夠產(chǎn)生垂直于激光偏振的一維結(jié)構(gòu)，即單脈沖模式下的激光所產(chǎn)生的那種結(jié)構(gòu)，而且還能產(chǎn)生平行于偏振的其他周期結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生二維晶格圖案。

圖4：GHz飛秒激光脈沖創(chuàng)建獨特的二維周期表面結(jié)構(gòu)，平行和垂直于激光偏振方向。圖片來源:日本理化學(xué)研究所(RIKEN)

圖5顯示了一維LIPSS中納米溝槽電場增強的模擬結(jié)果。很明顯，增強并不是沿著納米溝槽恒定的(圖5(a))。周期性地獲得最高的電場，產(chǎn)生電場增強5倍以上的熱點。從圖5(b)可以看出，納米槽側(cè)壁頂部的電場最大，底部的電場也得到了較強的增強。因此，研究人員認為消融發(fā)生在納米槽的頂部和底部，從而產(chǎn)生了二維LIPSS。

圖5：當(dāng)1030 nm fs激光以正入射到具有周期性納米溝槽(寬度為250 nm，深度為700 nm，周期為760 nm)的一維LIPSS上時，在平行平面(a)和垂直平面(b)電場增強的模擬結(jié)果。激光偏振方向與一維LIPSS方向垂直。

圖6(a)和(b)分別為P= 3和N= 50 GHz脈沖處理的硅的SEM圖像，脈沖內(nèi)強度呈平緩和負傾斜分布。對于負傾斜分布，第二次和第三次脈沖的強度分別調(diào)整為第一次脈沖的73%和50%。顯然，與平面分布相比，負傾斜分布可以抑制熔化，從而創(chuàng)建更好的二維 LIPSS。這一結(jié)果支持了基于熱點的二維LIPSS形成機制。這些結(jié)果表明，在一維LIPSS中，熱點不能燒蝕脊的整個寬度，而是使脊變窄。與此同時，側(cè)壁的其他部分熔化在一起，形成了晶格結(jié)構(gòu)。更精確的GHz脈沖包絡(luò)將進一步提高二維 LIPSS的質(zhì)量。

圖6：P = 3、N = 50 GHz脈沖模式在不同脈沖下的形貌掃描電鏡圖(左)為脈沖內(nèi)通量為128 mJ cm?2的平坦分布，(右)為第1脈沖內(nèi)通量為146 mJ cm?2的負傾斜分布。飛秒激光脈沖在205ps下的時間間隔是恒定的。

研究人員應(yīng)用GHz飛秒激光處理來形成LIPSS，以研究其創(chuàng)造獨特的微納米結(jié)構(gòu)的能力。具體來說，在GHz脈沖中通過第一和第二脈沖在硅上形成了規(guī)則的一維LIPSS。然后，在一維LIPSS納米溝槽中通過第三次和后續(xù)的內(nèi)脈沖產(chǎn)生電場高度增強的周期性熱點，形成二維LIPSS。在一維LIPSS上對電場增強的模擬驗證了所提機制的有效性。此外，由于對流流動等流體力學(xué)效應(yīng)，電場增強引起的表面熔化決定了二維LIPSS的最終結(jié)構(gòu)。然而，需要進一步的研究來探索確切的機制?；谶@一假設(shè)，研究人員通過設(shè)定GHz脈沖的分布，使三個內(nèi)脈沖的強度逐漸降低，成功地創(chuàng)建了更明確的二維LIPSS。研究人員的研究結(jié)果表明，GHz飛秒激光脈沖不僅為消融和其他類型的處理提供了獨特的特性，例如LIPSS形成，為微納米制造開辟了新的途徑。

理化研究所的Koji Sugioka說:“這一結(jié)果可能為除燒蝕外的處理提供了GHz突發(fā)模式的新可能性，包括微鍵合、結(jié)晶、拋光、雙光子聚合和內(nèi)部光波導(dǎo)寫入。”“研究人員相信GHz脈沖模式將為飛秒激光處理開辟新的途徑。”

文章來源：

http://www.ijemnet.com/en/article/doi/10.1088/2631-7990/acb133

https://optics.org/news/14/1/42