日本理化学研究所(RIKEN)研究人员创造了GHz飞秒激光脉冲在晶体硅的表面形成独特表面结构，其研究成果发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

日本理化学研究所先进光子学中心(RAP)的一个项目演示了飞秒源如何在GHz频率下在硅衬底上创建独特的二维激光诱导周期表面结构(LIPSS)。这种新方法比简单的烧蚀工艺创造了更复杂的表面纳米结构，而烧蚀工艺一直是研究改变许多表面性能的焦点。

GHz飞秒激光脉冲由一系列脉冲间隔为几百皮秒的超短激光脉冲组成，大多数使用GHz飞秒激光脉冲的研究都集中在材料的烧蚀上，以实现高效、高质量地去除材料。在本研究中，研究人员研究了GHz飞秒激光在硅表面形成激光诱导周期表面结构(LIPSS)的处理能力。研究人员发现GHz飞秒激光器创建了独特的二维(二维)LIPSS。研究人员认为二维LIPSS的形成机制是电磁机制和流体动力机制的协同所形成。具体来说，在一维LIPSS的纳米沟槽内，通过后续脉冲的局部表面等离子体共振产生具有高度增强电场的热点，从而形成二维LIPSS。

激光诱导周期表面结构(LIPSS)是在固体材料表面通过多次线偏振激光脉冲照射而形成的自组织微纳米结构。LIPSS的周期和方向等特性取决于脉冲宽度、激光通量(脉冲能量)、激光偏振方向、激光波长、激光脉冲数和材料类型。LIPSS可以制备在各种类型的固体材料表面，包括金属、半导体和聚合物。飞秒激光常产生周期小于波长一半的LIPSS，称为高空间频率LIPSS。此外，LIPSS的制造不需要任何特殊的环境，并且可以通过简单的非接触激光照射方案进行，这有利于工业应用。

Giannuzzi等人用GHz脉冲模式在不锈钢上演示了LIPSS的形成，显示出与单脉冲模式相似的LIPSS的形成。 本文利用GHz飞秒激光脉冲在硅上形成LIPSS，通过与单脉冲模式相比，展示了GHz形成独特纳米结构的能力，并讨论了可能的形成机制。

图1：使用GHz飞秒激光脉冲形成LIPSS的实验装置示意图。

图2:利用飞秒激光脉冲(a)， (f)单脉冲模式和(b) - (e)， (g) - (j) GHz在P为2到10的不同脉冲内的硅表面上制备的微/纳米结构的SEM图像。飞秒激光脉冲爆发的时间间隔为205皮秒， (a) - (e)和(f) - (j)的脉冲数N分别为50和200。每幅图像下方显示了产生LIPSS的脉冲的影响。

研究人员推测，二维LIPSS的形成归因于局部表面等离子体共振(LSPR)在一维LIPSS的纳米沟槽中产生的“热点”。当光束照射在金、银等金属的一维LIPSS上时，由于LSPR的作用，在一维LIPSS的纳米沟槽中产生了电场高度增强的热点。当偏振方向垂直于一维LIPSS方向的光入射时，增强效果最大。如图3(b)所示。在一维LIPSS中，纳米槽的侧壁周期性地产生热点，并周期性地烧蚀侧壁以生成二维LIPSS，如图3(c)所示。

图3：二维LIPSS形成机理示意图:(a)爆发中最初的两个内脉冲产生一维 LIPSS， (b)第三个和随后偏振方向垂直于一维 LIPSS的内脉冲产生热点，(c)热点周期性地烧蚀侧壁以产生二维 LIPSS。(d)实际由GHz处理生成的二维LIPSS示意图。

在对晶体硅的试验中，GHz脉冲不仅能够产生垂直于激光偏振的一维结构，即单脉冲模式下的激光所产生的那种结构，而且还能产生平行于偏振的其他周期结构，从而产生二维晶格图案。

图4：GHz飞秒激光脉冲创建独特的二维周期表面结构，平行和垂直于激光偏振方向。图片来源:日本理化学研究所(RIKEN)

图5显示了一维LIPSS中纳米沟槽电场增强的模拟结果。很明显，增强并不是沿着纳米沟槽恒定的(图5(a))。周期性地获得最高的电场，产生电场增强5倍以上的热点。从图5(b)可以看出，纳米槽侧壁顶部的电场最大，底部的电场也得到了较强的增强。因此，研究人员认为消融发生在纳米槽的顶部和底部，从而产生了二维LIPSS。

图5：当1030 nm fs激光以正入射到具有周期性纳米沟槽(宽度为250 nm，深度为700 nm，周期为760 nm)的一维LIPSS上时，在平行平面(a)和垂直平面(b)电场增强的模拟结果。激光偏振方向与一维LIPSS方向垂直。

图6(a)和(b)分别为P= 3和N= 50 GHz脉冲处理的硅的SEM图像，脉冲内强度呈平缓和负倾斜分布。对于负倾斜分布，第二次和第三次脉冲的强度分别调整为第一次脉冲的73%和50%。显然，与平面分布相比，负倾斜分布可以抑制熔化，从而创建更好的二维 LIPSS。这一结果支持了基于热点的二维LIPSS形成机制。这些结果表明，在一维LIPSS中，热点不能烧蚀脊的整个宽度，而是使脊变窄。与此同时，侧壁的其他部分熔化在一起，形成了晶格结构。更精确的GHz脉冲包络将进一步提高二维 LIPSS的质量。

图6：P = 3、N = 50 GHz脉冲模式在不同脉冲下的形貌扫描电镜图(左)为脉冲内通量为128 mJ cm−2的平坦分布，(右)为第1脉冲内通量为146 mJ cm−2的负倾斜分布。飞秒激光脉冲在205ps下的时间间隔是恒定的。

研究人员应用GHz飞秒激光处理来形成LIPSS，以研究其创造独特的微纳米结构的能力。具体来说，在GHz脉冲中通过第一和第二脉冲在硅上形成了规则的一维LIPSS。然后，在一维LIPSS纳米沟槽中通过第三次和后续的内脉冲产生电场高度增强的周期性热点，形成二维LIPSS。在一维LIPSS上对电场增强的模拟验证了所提机制的有效性。此外，由于对流流动等流体力学效应，电场增强引起的表面熔化决定了二维LIPSS的最终结构。然而，需要进一步的研究来探索确切的机制。基于这一假设，研究人员通过设定GHz脉冲的分布，使三个内脉冲的强度逐渐降低，成功地创建了更明确的二维LIPSS。研究人员的研究结果表明，GHz飞秒激光脉冲不仅为消融和其他类型的处理提供了独特的特性，例如LIPSS形成，为微纳米制造开辟了新的途径。

理化研究所的Koji Sugioka说:“这一结果可能为除烧蚀外的处理提供了GHz突发模式的新可能性，包括微键合、结晶、抛光、双光子聚合和内部光波导写入。”“研究人员相信GHz脉冲模式将为飞秒激光处理开辟新的途径。”

文章来源：

http://www.ijemnet.com/en/article/doi/10.1088/2631-7990/acb133

https://optics.org/news/14/1/42