Femtosekundna laserska tehnologija izravnog pisanja vrsta je tehnologije mikro-nano obrade koja može fokusirati pulsirajuću lasersku zraku na površinu ili unutar materijala i uzrokovati promjenu lokalnih svojstava materijala kroz nelinearnu interakciju lasera s materijal u žarišnoj regiji, koji se naširoko koristi u mnogim područjima kao što su mikrofluidika, mikro-nano fotonika, integrirana optika i tako dalje. Tradicionalna femtosekundna laserska tehnologija izravnog pisanja ima problem asimetrije između poprečne rezolucije obrade i aksijalne rezolucije, a aksijalna rezolucija je očito izdužena, što donekle ograničava primjenu femtosekundnog lasera u trodimenzionalnoj obradi. Posljednjih godina, kako bi se uravnotežila razlika između bočne i aksijalne razlučivosti femtosekundnog laserskog izravnog pisanja, predloženo je nekoliko tehnika oblikovanja snopa, kao što su tehnika oblikovanja proreza, tehnika oblikovanja astigmatizma i tehnika zračenja križnim snopom. Međutim, niti jedna od ovih tehnika ne može postići trodimenzionalnu izotropnu obradu na temelju jedne leće objektiva.
Tehnike prostorno-vremenskog fokusiranja izvorno su razvijene za primjene bioslikovanja i korištene su u području femtosekundne laserske mikrostrojne obrade. Femtosekundna laserska prostorno-vremenska tehnologija fokusiranja pruža novu dimenziju vremenskog fokusiranja, dopuštajući joj da se ističe u poboljšanju rezolucije aksijalne izrade i uklanjanju nelinearnih učinaka samofokusiranja. Mehanizam tehnologije prostorno-vremenskog fokusiranja je sljedeći: različite spektralne komponente femtosekundnog lasera raspršuju se prostorno kroz parove rešetki, prostorno raspršena svjetlost se zatim fokusira kroz leću objektiva, različite spektralne komponente se rekombiniraju u žarišnoj točki, a širina pulsa se vraća na femtosekundni red veličine.
Trenutačno se većina postojećih studija o trodimenzionalnoj mikrostrojnoj obradi s femtosekundnim laserskim prostorno-vremenskim fokusiranjem temelji na laserima s dragim kamenjem od titana širokog pojasa i niske frekvencije ponavljanja, a niska frekvencija ponavljanja ograničava brzinu laserske obrade, tako da primjena tehnologije prostorno-vremenskog fokusiranja izvoru femtosekundnog laserskog svjetla s visokom ponavljajućom frekvencijom neizbježan je zahtjev kako bi se u isto vrijeme ispunili zahtjevi visokoučinkovite trodimenzionalne anizotropne obrade. Međutim, propusni opseg femtosekundnih laserskih izvora s visokom frekvencijom ponavljanja obično je uzak, volumen prostorne disperzije uvodi veliki broj negativnih vremenskih čirpova, a sam laser ne može pružiti dovoljnu vremensku kompenzaciju, što rezultira širinom impulsa u žarišnoj točki koja nije mogućnost vraćanja na femtosekundni red veličine, što ograničava primjenu tehnologije prostorno-vremenskog fokusiranja na lasersku obradu s visokom frekvencijom ponavljanja. Stoga, trodimenzionalna izotropna obrada koja se temelji na visokofrekventnoj femtosekundnoj laserskoj tehnologiji prostorno-vremenskog fokusiranja treba osigurati dodatnu vremensku kompenzaciju.
Istaknuti rezultati istraživanja
Tim prof. Yangjian Cai sa Shandong Normal University i prof. Ya Cheng s East China Normal University surađivali su kako bi predložili shemu vremenske kompenzacije dodatne šupljine za visokofrekventne lasere, koja ostvaruje visokoučinkovitu, trodimenzionalnu izotropnu obradu temeljen na tehnici prostorno-vremenskog fokusiranja visokofrekventnih femtosekundnih laserskih izvora svjetlosti. U ovom radu, Martinezov širitelj impulsa izgrađen izvan lasera koristi se za uvođenje velikog broja vremenski pozitivnih chirpova kako bi se proširila širina impulsa na pikosekundni red veličine, a zatim prostorna disperzija jednoprolaznog rešetkastog kompresora (rešetka par), a fokusiranje leće objektiva osigurava rekombinaciju različitih spektralnih komponenti u žarišnoj točki sa širinom impulsa u femtosekundnom redu veličine. Eksperimentalni sustav prikazan je na slici 1.
Slika 1. Shematski dijagram trodimenzionalnog izotropnog obradnog uređaja temeljenog na visokofrekventnoj femtosekundnoj laserskoj tehnologiji prostorno-vremenskog fokusiranja
Dobro je poznato da na učinak femtosekundne laserske obrade utječe smjer obrade, energija pulsa i dubina obrade, itd. Kako bi provjerili ima li uređaj za prostorno-vremensko fokusiranje sposobnost trodimenzionalne izotropne obrade, tim prof. Yangjian Caija i tim prof. Cheng Yaa demonstrirali su optički presjek uređaja u različitim smjerovima, na različitim dubinama, i obrađen različitim energijama pulsa unutar fotoosjetljivog stakla (kao što je prikazano na slici 2). Eksperimentalni rezultati pokazuju da je rezolucija duž različitih smjerova jednaka i kružna, a rezolucija 3D izotropne obrade (8-22 μm) proporcionalna je energiji impulsa i neosjetljiva na dubinu obrade. Značaj ovog rada uglavnom leži u kombinaciji visoke učinkovitosti obrade i kontinuirano podesive rezolucije 3D izotropne obrade, što daje nova tehnička sredstva za lasersku obradu.
Slika 2. Utjecaj različitih smjerova, pulsnih energija i dubina obrade na rezoluciju obrade sustava za vremensko fokusiranje.
Kako bi intuitivnije demonstrirao sposobnost trodimenzionalne izrade uređaja za fokusiranje prostor-vrijeme, istraživački tim kombinirao je tehnologiju fokusiranja prostor-vrijeme s metodom post-kemijske korozije kako bi proizveo niz trodimenzionalnih izotropnih mikrofluidnih struktura unutar fotoosjetljivo staklo. U usporedbi s tradicionalnom laserskom obradom, uređaj ima prednosti visoke učinkovitosti, kontinuirano podesive razlučivosti 3D izotropne obrade, neosjetljivosti na dubinu obrade, itd. Očekuje se da će se rezultati ovog istraživanja primijeniti na 3D mikrofluidne čipove, izradu fotoničkih čipova, kao i laserski 3D ispis i druga polja.
