《光电子进展》的一项新研究讨论了通过GHz突发模式飞秒激光诱导等离子辅助烧蚀对单晶蓝宝石进行超分辨率加工。

GHz突发模式飞秒(fs)激光器以数百ps的极短间隔发射一系列脉冲串(突发脉冲)，与传统的fs激光器(单脉冲模式)相比，它在材料加工方面具有独特的特性。这项新研究的作者已经证明，GHz突发模式fs激光器大大提高了烧蚀效率、质量和速度。GHz突发模式fs激光器进一步应用于表面纳米结构，显示出与单脉冲模式制造的1D结构不同的独特二维(2D)周期性表面结构的形成。

作者利用GHz突发模式飞秒激光的独特特性，通过这项称为激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)的原创技术对单晶蓝宝石进行超分辨率加工。单晶蓝宝石因其在可见光范围内的高透明度、高硬度和良好的热阻率等优异特性，成为各种工业应用的理想材料。

然而，正是这些优异的特性使得蓝宝石的高质量、高精度加工变得困难。在LIPAA工艺中，将对激光束透明的基板放置在铜等金属靶上。激光束与靶产生的等离子体相互作用，对透明材料的背面进行高效烧蚀。

GHz突发模式飞秒激光LIPAA由于突发脉冲中各脉冲间隔适中，使得前一激光脉冲诱导的等离子体与后一激光脉冲直接相互作用，获得更高的烧蚀效率和质量以及更好的加工分辨率，展现出GHz突发模式飞秒LIPAA在高质量、高效单晶蓝宝石衬底微加工中的应用潜力。

GHz突发模式飞秒激光器发射一系列间隔极短(几百ps)的脉冲串。这里，单个脉冲串称为突发脉冲，突发脉冲中的每个脉冲称为内脉冲。实验中，将单晶蓝宝石衬底与铜靶接触，单个突发脉冲透过蓝宝石衬底照射到铜靶上。GHz突发脉冲中适中的脉冲间隔可以使后续激光脉冲与前一激光​​脉冲在蓝宝石衬底和铜靶界面处直接相互作用。

对于GHz突发LIPAA工艺，烧蚀深度取决于脉冲内能量密度和脉冲内数量P。当然，烧蚀深度随脉冲内能量变化的规律表明，脉冲内能量密度越高，烧蚀深度越深。重要的是，当脉冲内数量为5时，烧蚀深度急剧增加。第1个脉冲和第5个脉冲之间的时间间隔约为1ns。

烧蚀深度大幅增加的原因被认为是在第一次脉冲内照射后约1ns处等离子体密度变得足够高，足以促进LIPAA过程。具体而言，在Cu烧蚀的情况下，已知激光诱导等离子体的产生从激光脉冲照射后10-50ps开始，并且其密度在1ns左右达到最大，此时第五次脉冲可以有效地与等离子体相互作用，从而大幅增加烧蚀深度。

作者进一步发现，与单脉冲模式飞秒激光直接烧蚀相比，烧蚀阈值降低至1/7.3。此外，与单脉冲模式LIPAA相比，烧蚀深度增加了4.2-5.0倍。重要的是，吸收率的增加进一步实现了更好的烧蚀质量。此外，由于阈值效应和靠近激光束中心的更高等离子体密度的协同作用，GHz突发模式LIPAA工艺将制造分辨率提高到远远超出聚焦激光光斑尺寸的水平。

因此，可以得出结论，GHz突发模式LIPAA工艺能够实现蓝宝石的微纳加工，具有高加工效率、高加工质量和高加工分辨率。该工艺可进一步扩展到其他透明材料的加工。使用贝塞尔光束和矢量光束等整形光束将增强LIPAA在加工几何、分辨率和效率方面的性能。

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