Фемтосекундная лазерная обработка (ФЛО) представляет собой метод воздействия на материалы ультракороткими лазерными импульсами длительностью порядка 10⁻¹⁵ секунд. На таких временных масштабах лазерная энергия может быть передана электронным системам материала быстрее, чем успевают развиваться тепловые процессы, что открывает уникальные возможности для сверхточной микро- и наноструктурной модификации.
Ключевой момент: фемтосекундные импульсы позволяют минимизировать тепловое воздействие на окружающую среду, обеспечивая «холодную» абляцию, в отличие от наносекундных и более длинных импульсов.
1. Ионизация и возбуждение электронов
На первых этапах взаимодействия лазерный импульс вызывает ионизацию материала через два основных механизма:
Результатом является образование сильно возбужденного электронного газа, который сохраняется в течение нескольких десятков фемтосекунд до передачи энергии решетке.
2. Энергетический перенос к решетке
Электроны после ионизации поглощают большую часть энергии импульса, но атомная решетка пока остается холодной. Энергетический перенос происходит через взаимодействие электрон-фонон, что занимает десятки до сотен фемтосекунд, и именно на этом промежутке формируется «фемтотропный» режим обработки.
Ключевой момент: лазерный импульс разрушает материал в электронной системе прежде, чем тепловая энергия успевает распространиться по решетке, что обеспечивает минимизацию термического повреждения.
Фемтосекундная абляция материала сопровождается формированием плазменного слоя вблизи поверхности. Этот слой динамически расширяется, создавая давление, которое выбивает материал с поверхности без значительного нагрева.
Особенности фемтосекундной абляции:
Сверхбыстрая модификация структуры проявляется в изменении кристаллографии и локальной плотности материала. Фемтосекундные импульсы могут создавать аморфные зоны в кристаллических структурах, формировать дефекты и наносить локальные напряжения.
Металлы: В металлах электроны обладают высокой подвижностью, что приводит к быстрому распространению энергии внутри электронного газа. Абляция металлов под действием фемтосекундных импульсов обычно протекает через механизм электронической перегрузки, без значительного теплового воздействия на соседние участки.
Полупроводники: Полупроводники демонстрируют сложное поведение из-за наличия запрещенной зоны. При высокоинтенсивных импульсах возможно преодоление зоны через многофотонную ионизацию, что приводит к формированию локализованных плазменных зон и возможности точного структурного изменения без разрушения окружающего материала.
Диэлектрики и стекла: Фемтосекундная обработка прозрачных материалов позволяет создавать внутри объема трехмерные структуры. Многофотонная ионизация и последующая локальная абляция позволяют формировать микроканалы, оптические волокна и голографические структуры без повреждения внешней поверхности.
Лазерные источники: Для ФЛО применяются титан-сапфировые лазеры и их производные, способные выдавать импульсы длительностью 30–200 фемтосекунд с высокой повторяемостью.
Системы фокусировки: Используются объективы с высоким числом F (NA), позволяющие сфокусировать импульс до диаметров 1–2 мкм, что обеспечивает высокую пространственную точность.
Сканирующие системы: Для обработки больших площадей применяются сканирующие зеркала или системы движения образца, синхронизированные с лазерными импульсами для создания сложных паттернов на поверхности или в объеме материала.
Ключевой момент: уникальная способность фемтосекундных импульсов избирательно воздействовать на материал позволяет сочетать высокую точность и минимальное повреждение окружающей среды, что открывает возможности для научных и промышленных приложений, недостижимых традиционными лазерными методами.