Công nghệ viết trực tiếp bằng laser Femto giây là một loại công nghệ xử lý micro-nano có thể tập trung chùm tia laser xung trên bề mặt hoặc bên trong vật liệu và gây ra sự thay đổi tính chất cục bộ của vật liệu thông qua tương tác phi tuyến của tia laser với vật liệu trong vùng tiêu điểm, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vi lỏng, quang tử nano vi mô, quang học tích hợp, v.v. Công nghệ ghi trực tiếp bằng laser femto giây truyền thống có vấn đề về sự không đối xứng giữa độ phân giải xử lý ngang và độ phân giải trục, và độ phân giải trục rõ ràng bị kéo dài, điều này hạn chế việc ứng dụng laser femto giây trong xử lý ba chiều ở một mức độ nào đó. Trong những năm gần đây, để cân bằng sự khác biệt giữa độ phân giải ngang và độ phân giải dọc trục của việc viết trực tiếp bằng laser femto giây, một số kỹ thuật định hình chùm tia đã được đề xuất, chẳng hạn như kỹ thuật tạo hình khe, kỹ thuật tạo hình loạn thị và kỹ thuật chiếu xạ chùm tia chéo. Tuy nhiên, không có kỹ thuật nào trong số này có thể đạt được khả năng xử lý đẳng hướng ba chiều dựa trên một vật kính duy nhất.
Các kỹ thuật lấy nét không gian thời gian ban đầu được phát triển cho các ứng dụng hình ảnh sinh học và đã được sử dụng trong lĩnh vực gia công vi mô laser femtosecond. Công nghệ lấy nét theo không gian theo thời gian bằng laser Femtosecond cung cấp một chiều hướng mới của lấy nét theo thời gian, cho phép nó vượt trội trong việc cải thiện độ phân giải chế tạo theo trục và loại bỏ các hiệu ứng tự lấy nét phi tuyến. Cơ chế của công nghệ lấy nét không gian thời gian là: các thành phần quang phổ khác nhau của laser femto giây bị phân tán trong không gian thông qua các cặp cách tử, ánh sáng phân tán trong không gian sau đó được tập trung qua thấu kính vật kính, các thành phần quang phổ khác nhau được kết hợp lại tại tiêu điểm và độ rộng xung. được khôi phục về mức độ lớn femto giây.
Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu hiện có về gia công vi mô ba chiều với tiêu điểm không gian thời gian bằng laser femto giây đều dựa trên băng thông rộng, laser đá quý titan tần số lặp lại thấp và tần số lặp lại thấp hạn chế tốc độ xử lý laser, do đó việc áp dụng công nghệ lấy nét không gian thời gian đối với nguồn sáng laser femto giây tần số lặp lại cao là một yêu cầu tất yếu để đáp ứng các yêu cầu xử lý dị hướng ba chiều, hiệu suất cao cùng một lúc. Tuy nhiên, băng thông của các nguồn laser femto giây tần số lặp lại cao thường hẹp, khối lượng phân tán không gian tạo ra một số lượng lớn tiếng kêu thời gian âm và bản thân tia laser không thể cung cấp đủ thời gian bù, dẫn đến độ rộng xung tại tiêu điểm không có thể được khôi phục về bậc độ lớn femto giây, điều này hạn chế việc áp dụng công nghệ lấy nét theo không gian-thời gian vào xử lý laser tần số lặp lại cao. Do đó, xử lý đẳng hướng ba chiều dựa trên công nghệ lấy nét không gian theo thời gian bằng laser femtosecond tần số cao cần cung cấp thêm khả năng bù thời gian.
Điểm nổi bật của nghiên cứu
Nhóm của Giáo sư Yangjian Cai từ Đại học Sư phạm Sơn Đông và Giáo sư Ya Cheng từ Đại học Sư phạm Đông Trung Quốc đã hợp tác để đề xuất một sơ đồ bù thời gian ngoài khoang cho laser tần số cao, giúp thực hiện gia công đẳng hướng ba chiều hiệu quả cao dựa trên kỹ thuật lấy nét không gian thời gian của nguồn sáng laser femtosecond tần số cao. Trong nghiên cứu này, bộ mở rộng xung Martinez được chế tạo bên ngoài tia laser được sử dụng để tạo ra một số lượng lớn các tiếng kêu dương theo thời gian nhằm mở rộng độ rộng xung đến bậc độ lớn pico giây, sau đó là sự phân tán không gian của máy nén cách tử một lượt (cách tử cặp) và khả năng lấy nét của vật kính đảm bảo sự tái hợp của các thành phần quang phổ khác nhau tại tiêu điểm với độ rộng xung theo thứ tự độ lớn femto giây. Hệ thống thử nghiệm được hiển thị trong Hình 1.
Hình 1 Sơ đồ của thiết bị xử lý đẳng hướng ba chiều dựa trên công nghệ lấy nét không gian-thời gian bằng laser femtosecond tần số cao
Người ta biết rằng hiệu quả của quá trình xử lý laser femto giây bị ảnh hưởng bởi hướng xử lý, năng lượng xung và độ sâu xử lý, v.v. Để xác minh xem thiết bị lấy nét không gian thời gian có khả năng xử lý đẳng hướng ba chiều hay không, nhóm của Giáo sư Yangjian Cai và nhóm của Giáo sư Cheng Ya đã trình diễn mặt cắt quang học của thiết bị theo các hướng khác nhau, ở các độ sâu khác nhau và được xử lý bằng các năng lượng xung khác nhau bên trong kính cảm quang (như trong Hình 2). Kết quả thử nghiệm cho thấy độ phân giải theo các hướng khác nhau là như nhau và tròn, đồng thời độ phân giải xử lý đẳng hướng 3D (8-22 μm) tỷ lệ thuận với năng lượng xung và không nhạy cảm với độ sâu xử lý. Tầm quan trọng của công việc này chủ yếu nằm ở sự kết hợp giữa hiệu quả xử lý cao và độ phân giải xử lý đẳng hướng 3D có thể điều chỉnh liên tục, cung cấp phương tiện kỹ thuật mới để xử lý laser.
Hình 2 Ảnh hưởng của các hướng, năng lượng xung và độ sâu xử lý khác nhau đến độ phân giải xử lý của hệ thống lấy nét theo thời gian.
Để chứng minh một cách trực quan hơn khả năng chế tạo ba chiều của thiết bị lấy nét không-thời gian, nhóm nghiên cứu đã kết hợp công nghệ lấy nét không-thời gian với phương pháp ăn mòn sau hóa học để chế tạo nhiều loại cấu trúc vi lỏng đẳng hướng ba chiều bên trong kính cảm quang. So với xử lý laser truyền thống, thiết bị có ưu điểm là hiệu suất cao, độ phân giải xử lý đẳng hướng 3D có thể điều chỉnh liên tục, không nhạy cảm với độ sâu xử lý, v.v. Kết quả của nghiên cứu này dự kiến sẽ được áp dụng cho chip vi lỏng 3D, chế tạo chip quang tử cũng như in laser 3D và các lĩnh vực khác.
