Usinagem de super-resolução de safira cristalina única por ablação induzida por laser de femtossegundo e assistida por plasma

Um novo estudo em Avanços Opto-Eletrônicos discute a usinagem de super-resolução de safira cristalina única por ablação assistida por plasma induzida por laser de femtossegundo em modo burst de GHz.

O laser de femtossegundo (fs) de modo burst de GHz, que emite uma série de trens de pulsos (pulso burst) com intervalos extremamente curtos de várias centenas de ps, oferece características distintas no processamento de materiais em comparação com o laser fs convencional (modo de pulso único). Os autores do novo estudo demonstraram que o laser fs de modo burst de GHz melhora muito a eficiência, a qualidade e a velocidade da ablação. O laser fs de modo burst de GHz foi aplicado posteriormente à nanoestruturação de superfície, mostrando a formação de estruturas de superfície periódicas bidimensionais (2D) exclusivas, diferentes das estruturas 1D fabricadas pelo modo de pulso único.

Os autores aproveitaram as características distintas do laser fs de modo burst de GHz para usinagem de super-resolução de safira monocristalina por esta técnica original, denominada ablação assistida por plasma induzida por laser (LIPAA). A safira monocristalina é um material atraente para uma variedade de aplicações industriais devido às suas excelentes características, como alta transparência em uma faixa visível, alta dureza e boa resistividade térmica.

No entanto, as excelentes características dificultam o processamento de alta qualidade e alta precisão da safira. No processo LIPAA, um substrato que é transparente ao feixe de laser é colocado em um alvo de metal, como cobre. A interação do feixe de laser e do plasma gerado a partir do alvo realiza ablação de alta eficiência da superfície traseira de materiais transparentes.

O modo burst GHz fs laser LIPAA permite a interação direta do plasma induzido pelos pulsos de laser precedentes com os pulsos de laser subsequentes devido ao intervalo moderado de cada pulso no pulso burst, alcançando maior eficiência e qualidade de ablação, bem como melhor resolução de fabricação. Assim, ele demonstra o potencial do modo burst GHz fs-LIPAA para microfabricação de alta qualidade e alta eficiência de substratos de safira monocristalinos.

O laser fs de modo burst de GHz emite uma série de trens de pulsos com intervalos extremamente curtos de várias centenas de ps. Aqui, o trem de pulso único é chamado de pulso burst, e cada pulso no pulso burst é chamado de intrapulso. Nos experimentos, um único substrato de safira cristalina foi colocado em contato com um alvo de cobre, e um único pulso burst foi irradiado para o alvo de cobre através do substrato de safira. O intervalo de pulso moderado no pulso burst de GHz pode permitir a interação direta dos pulsos de laser subsequentes com o plasma gerado pelos pulsos de laser precedentes na interface do substrato de safira e do alvo de cobre.

Para o processo LIPAA de rajada de GHz, a profundidade de ablação depende da fluência intrapulso e do número de intrapulsos, P. Naturalmente, variações da profundidade de ablação na energia intrapulso mostram que a maior fluência intrapulso leva ao aumento da profundidade de ablação. Importante, a profundidade de ablação aumenta drasticamente no número intrapulso de 5. O intervalo de tempo entre o 1º intrapulso e o 5º intrapulso é de cerca de 1 ns.

Acredita-se que a razão para o aumento drástico na profundidade da ablação seja que a densidade do plasma se torna alta o suficiente para contribuir com o processo LIPAA em torno de 1 ns após a primeira irradiação intrapulso. Especificamente, no caso da ablação de Cu, sabe-se que a geração do plasma induzido por laser começa de 10–50 ps após a irradiação do pulso do laser, e sua densidade é então maximizada em torno de 1 ns, no qual o quinto pulso pode interagir eficientemente com o plasma para aumentar drasticamente a profundidade da ablação.

Os autores descobriram ainda que o limiar de ablação diminui para 1/7,3 em comparação com o modo de pulso único fs ablação direta a laser. Além disso, a profundidade de ablação foi aumentada por um fator de 4,2–5,0, em comparação com o modo de pulso único LIPAA. É importante ressaltar que a absorção aumentada permitiu ainda mais alcançar uma qualidade de ablação muito melhor. Além disso, o processo LIPAA de modo burst de GHz melhora a resolução de fabricação muito além do tamanho do ponto de laser focado devido à contribuição sinérgica do efeito de limiar e maior densidade de plasma mais perto do centro do feixe de laser.

Assim, pode-se concluir que o processo LIPAA de modo burst de GHz fornece a capacidade de realizar micro e nanofabricação de safira com alta eficiência de processamento, alta qualidade de processamento e alta resolução de fabricação. Este processo pode ser estendido ainda mais para o processamento de outros materiais transparentes. O uso de feixes moldados, como feixe de Bessel e feixe vetorial, aumentará o desempenho do LIPAA em termos de geometria de fabricação, resolução e eficiência.