دانشگاه توکیو در ژاپن|حفاری فوق العاده سریع لیزری مواد شفاف از طریق تحریک الکترونیکی گذرا

01 راهنمای کاغذ

مواد شفاف (مانند شیشه و یاقوت کبود) به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی عالی در صنعت و تحقیقات پیشرفته ضروری هستند. با این حال، سختی بالا و ویژگی‌های باند گپ بالا، پردازش مکانیکی را به یک قرن- چالش تبدیل کرده است. ظهور لیزرهای فمتوثانیه انقلابی در اصلاحات داخلی و پردازش مواد شفاف به ارمغان آورده است، اما مسائلی مانند سرعت پردازش آهسته و آسیب پذیری در برابر استرس همیشه تنگناهایی بوده است که کاربردهای صنعتی آنها را محدود کرده است (مانند نیاز به 1000 سوراخ در ثانیه برای شیشه از طریق{5} ساخت سوراخ). این مقاله روش جدیدی را برای حفاری فوق سریع مواد شفاف معرفی می‌کند که از طریق تحریک الکترونیکی گذرا به دست می‌آید، با سرعت پردازش میلیون‌ها برابر در مقایسه با تکنیک‌های حفاری ضربه‌ای سنتی.

02 مروری بر متن کامل

این مطالعه تکنیکی به نام «جذب لیزری انتخابی گذرا بسل» را پیشنهاد می‌کند. ابتدا، یک لیزر پیکوثانیه‌ای توزیع‌شده گاوسی به یک پرتو بسل شکل می‌گیرد، که می‌تواند تشکیل کانال‌های تحریک الکترونی طولانی و یکنواخت یا «رشته‌های لیزر» را با یک تابش در مواد شفاف تحریک کند. تشکیل این کانال باعث تغییر آنی خواص نوری ماده در مقیاس پیکوثانیه تا نانوثانیه می شود و از یک عایق به حالتی شبیه به یک فلز نیمه- با افزایش چشمگیر ضریب جذب تبدیل می شود. در عین حال، رشته‌های لیزر به‌طور مؤثر و یکنواخت انرژی لیزر پالسی بلند میکروثانیه{5}}را جذب می‌کنند و فوراً مواد داخل کانال را تا نقطه تبخیر و حذف گرم می‌کنند. این روش به‌طور هوشمندانه از اثرات محافظتی بازتاب پلاسما که در پردازش لیزری با شدت بالا- سنتی دیده می‌شود، اجتناب می‌کند. در نهایت، تنها در ده‌ها میکروثانیه، می‌توان در شیشه‌های کوارتز با ضخامت 1 میلی‌متر، یک سوراخ-با کیفیت بالا با قطر حدود 3.1 میکرون با قطر حدود 3.1 میکرون و نسبت عمق{13}}به قطر حداکثر تا 322 ایجاد کرد.

03 تجزیه و تحلیل گرافیکی

شکل 1 (الف) طراحی مسیر نوری را نشان می دهد، جایی که یک پالس لیزر پیکوثانیه و یک پالس لیزر میکروثانیه به ترتیب توسط یک منشور محوری به پرتوهای بسل تبدیل می شوند، سپس به صورت هم محوری از طریق یک تقسیم کننده پرتو ترکیب می شوند و روی یک نمونه ماده شفاف متمرکز می شوند. شکل 1 (B) فرآیند فیزیکی را در حین ماشین کاری نشان می دهد: مرحله اول، لیزر پیکو ثانیه ای یک کانال تحریک الکترونی طولانی و یکنواخت را در داخل ماده ایجاد می کند. مرحله دوم، انرژی لیزر میکروثانیه بعدی به طور انتخابی توسط این کانال جذب می‌شود و به حذف آنی و یکنواخت ماده می‌رسد و در نهایت یک سوراخ{4}} با نسبت تصویر بالا تشکیل می‌شود.

شکل 2 به طور مستقیم مکانیسم فیزیکی اصلی را از طریق فناوری تصویربرداری کاوشگر پمپ- نشان می دهد. یک پالس بسل با عرض پالس 5 ps رشته هایی را در شیشه کوارتز القا می کند و امکان تشکیل کانال تحریک یکنواخت یکنواخت با طول بیش از 1 میلی متر را در عرض 10 ps فراهم می کند. مهمتر از آن، این کانال، که دارای ضریب جذب بالایی است، می‌تواند به طور پایدار حداقل 1.8 ns، بسیار بیشتر از زمان استراحت شبکه الکترون وجود داشته باشد، پلاسما را در حالت انرژی بالا نگه می‌دارد و شرایط کافی را برای جذب انتخابی پالس‌های میکروثانیه بعدی فراهم می‌کند.

شکل 3 مورفولوژی سوراخ سطح میکرو-را نشان می دهد. در شیشه کوارتز با ضخامت 1 میلی‌متر، پردازش یک سوراخ گذرا با قطر حدود 3.1 میکرومتر، با نسبت عمق-به-به قطر تا 322، تنها 20 میکروثانیه طول می‌کشد. نمای جانبی نشان می‌دهد که کانال مستقیم و بدون مخروطی است، با دیواره‌های حفره‌ای بسیار صاف، با کیفیت بالا یا ریزشکاف‌ها. با تنظیم عرض پالس لیزر میکروثانیه می توان قطر سوراخ را نیز تا حدودی تنظیم کرد.

شکل 4 جهانی بودن و پتانسیل کاربرد صنعتی این فناوری را نشان می دهد. علاوه بر شیشه کوارتز، این روش با موفقیت در مورد مواد شفاف متداول مختلف مانند شیشه بوروسیلیکات و شیشه آهکی سودا{2}}به کار رفته است. با تعمیر لیزر و استفاده از یک پلت‌فرم متحرک با سرعت بالا، می‌توان به راندمان فوق‌العاده-1000 سوراخ در ثانیه دست یافت و هزاران آرایه حفره‌ای یکنواخت را به‌طور قابل اعتمادی تولید کرد.

04 خلاصه

پژوهش حاضر در این مقاله به نوآوری در زمینه پردازش لیزری از طریق فناوری تحریک الکترونیکی گذرا دست یافته است. با تفکیک هوشمندانه دو فرآیند فیزیکی «تحریک الکترون» و «حذف مواد» و اختصاص آن‌ها به دو پالس لیزری با هماهنگی زمانی پیکوثانیه و میکروثانیه، با موفقیت بر مشکلات اساسی سرعت آهسته و استفاده از انرژی کم در پردازش لیزر فوق سریع سنتی غلبه کرد و راندمان حفاری را با یک میلیون بار افزایش داد. این فناوری نه تنها از طریق-ساخت سوراخ در مواد شفاف ضخیم میلی متری،-با کیفیت-بالا و نسبت تصویر بالا را قادر می سازد، بلکه جهانی بودن آن را در مواد مختلف و پتانسیل بسیار زیاد برای تولید-در مقیاس بزرگ نشان می دهد. انتظار می‌رود این پیشرفت تأثیر عمیقی در زمینه‌هایی مانند بسته‌بندی نیمه‌رسانا، کاربردهای زیست‌پزشکی و تحقیقات علمی پیشرفته داشته باشد.