01Papierführer
Transparente Materialien (wie Glas und Saphir) sind aufgrund ihrer hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften in der Industrie und in der Spitzenforschung unverzichtbar. Allerdings haben ihre hohe Härte und ihre große Bandlücke die mechanische Bearbeitung zu einer jahrhundertealten Herausforderung gemacht. Das Aufkommen von Femtosekundenlasern hat die interne Modifizierung und Verarbeitung transparenter Materialien revolutioniert, aber Probleme wie langsame Verarbeitungsgeschwindigkeit und Anfälligkeit für Spannungsschäden waren schon immer Engpässe, die ihre industriellen Anwendungen einschränkten (z. B. die Anforderung von 1000 Löchern pro Sekunde für die Herstellung von Glas-Durchgangslöchern). In diesem Artikel wird eine neue Methode zum ultraschnellen Bohren transparenter Materialien vorgestellt, die durch transiente elektronische Anregung erreicht wird und deren Verarbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Schlagbohrtechniken um das Millionenfache erhöht ist.
02Übersicht über den Volltext
Die Studie schlägt eine Technik namens „Bessel transiente selektive Laserabsorption“ vor. Zunächst wird ein Gauß-{1}verteilter Pikosekundenlaser in einen Bessel-Strahl geformt, der die Bildung langer, gleichmäßiger Elektronenanregungskanäle oder „Laserfilamente“ mit einem einzigen Einfall in transparenten Materialien anregen kann. Die Bildung dieses Kanals führt zu einer augenblicklichen Änderung der optischen Eigenschaften des Materials im Pikosekunden- bis Nanosekundenbereich und wandelt sich von einem Isolator in einen Zustand um, der dem eines Halbmetalls ähnelt, mit einem dramatischen Anstieg des Absorptionskoeffizienten. Gleichzeitig absorbieren die Laserfilamente effizient und gleichmäßig mikrosekundenlange gepulste Laserenergie und erhitzen das Material im Kanal sofort bis zur Verdampfung und Entfernung. Diese Methode vermeidet geschickt die Abschirmeffekte der Plasmareflexion, die bei der herkömmlichen Laserbearbeitung mit hoher Intensität auftreten. Letztendlich kann in nur zehn Mikrosekunden ein qualitativ hochwertiges Durchgangsloch mit einem Durchmesser von etwa 3,1 Mikrometern und einem Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser von bis zu 322 in 1 mm dickem Quarzglas ohne jegliche Konizität oder Mikrorisse erzeugt werden.
03Grafische Analyse
Abbildung 1 (A) zeigt das optische Pfaddesign, bei dem ein Puls eines Pikosekundenlasers und ein Puls eines Mikrosekundenlasers jeweils durch ein Axialprisma in Bessel-Strahlen geformt, dann ko{1}}durch einen Strahlteiler kombiniert und auf eine transparente Materialprobe fokussiert werden. Abbildung 1 (B) zeigt den physikalischen Prozess während der Bearbeitung: Schritt eins: Der Pikosekundenlaser induziert einen langen und gleichmäßigen Elektronenanregungskanal im Inneren des Materials. Im zweiten Schritt wird die anschließende Mikrosekunden-Laserenergie selektiv von diesem Kanal absorbiert, wodurch eine sofortige und gleichmäßige Entfernung des Materials erreicht wird und letztendlich ein Durchgangsloch mit einem hohen Seitenverhältnis entsteht.
Abbildung 2 veranschaulicht intuitiv den physikalischen Kernmechanismus mithilfe der Pump-Probe-Bildgebungstechnologie. Ein Bessel-Puls mit einer Pulsbreite von 5 ps induziert Filamente im Quarzglas und ermöglicht so die stabile Bildung eines gleichmäßigen Anregungskanals von über 1 mm Länge innerhalb von 10 ps. Noch wichtiger ist, dass dieser Kanal, der einen hohen Absorptionskoeffizienten aufweist, für mindestens 1,8 ns stabil existieren kann, viel länger als die Gitterrelaxationszeit des Elektrons, wodurch das Plasma in einem hochenergetischen Zustand gehalten wird und ausreichende Bedingungen für die selektive Absorption nachfolgender Mikrosekundenimpulse geschaffen werden.
Abbildung 3 zeigt die Lochmorphologie auf Mikroebene. In 1 mm dickem Quarzglas dauert die Bearbeitung eines Durchgangslochs mit einem Durchmesser von etwa 3,1 µm nur 20 Mikrosekunden, wobei das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser bis zu 322 beträgt. Die Seitenansicht zeigt, dass der Kanal gerade und ohne Verjüngung ist, mit glatten Lochwänden, die frei von Ablagerungen oder Mikrorissen sind, was eine extrem hohe Bearbeitungsqualität demonstriert. Durch die Anpassung der Pulsbreite des Mikrosekundenlasers kann in gewissem Umfang auch der Lochdurchmesser angepasst werden.
Abbildung 4 zeigt die Universalität und das industrielle Einsatzpotenzial dieser Technologie. Neben Quarzglas wurde diese Methode auch erfolgreich auf verschiedene häufig verwendete transparente Materialien wie Borosilikatglas und Kalknatronglas angewendet. Durch die Fixierung des Lasers und die Verwendung einer sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Plattform ist es möglich, eine ultrahohe Effizienz von 1.000 Löchern pro Sekunde zu erreichen und so zuverlässig Tausende gleichmäßiger Durchgangslochanordnungen zu erzeugen.
04 Zusammenfassung
Die Forschung in diesem Artikel hat durch transiente elektronische Anregungstechnologie eine Innovation auf dem Gebiet der Laserbearbeitung erreicht. Durch die geschickte Trennung der beiden physikalischen Prozesse „Elektronenanregung“ und „Materialabtrag“ und deren Zuordnung zu zwei zeitlich koordinierten Laserpulsen von Piko- und Mikrosekunden gelang es, die grundlegenden Probleme der langsamen Geschwindigkeit und des geringen Energieeinsatzes bei der herkömmlichen ultraschnellen Laserbearbeitung zu überwinden und die Bohreffizienz um das Millionenfache zu steigern. Diese Technologie ermöglicht nicht nur die ultra-schnelle, hochwertige-Durchgangslochfertigung mit hohem Seitenverhältnis-in millimeterdicken-transparenten Materialien, sondern demonstriert auch ihre Universalität für verschiedene Materialien und ihr immenses Potenzial für die Massenproduktion. Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch tiefgreifende Auswirkungen auf Bereiche wie Halbleiterverpackungen, biomedizinische Anwendungen und bahnbrechende wissenschaftliche Forschung haben wird.
