《Optics & Laser Technology》：Low-damage micromachining of sapphire wafers via plasma-mediated femtosecond laser ablation enabled by suspended nanocopper film functionalization
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飞秒激光加工中采用纳米铜层与等离子体协同作用降低蓝宝石烧蚀阈值，抑制热损伤和微裂纹，优化烧蚀坑形态。
邓少奇|张文|韩静|孙晓|朱连青
教育部光电测量技术与仪器重点实验室，北京信息科技大学，北京100192，中国
摘要
为了解决传统飞秒（fs）激光加工蓝宝石时存在的问题，包括热损伤、微裂纹扩展和高烧蚀阈值，本研究提出了一种等离子体-铜协同烧蚀（PCSA）方法，并结合多层纳米铜沉积技术对蓝宝石进行处理。该方法通过等离子体与纳米铜薄膜之间的能量耦合效应，抑制了加工过程中的热积累并降低了蓝宝石材料的烧蚀阈值。实验结果表明，在60次脉冲、每次脉冲35 fs的带宽、1 kHz重复频率下，该方法能够降低800-nm飞秒激光的烧蚀阈值，同时优化了烧蚀坑的纵横比。所得烧蚀坑具有规则的圆形轮廓、锋利的边缘、狭窄的热影响区，并有效抑制了微裂纹的形成。这项工作为高效、高精度、低损伤的蓝宝石微加工提供了可靠的解决方案。
引言
由于其高硬度[1]、热稳定性和优异的抗磨损性能，蓝宝石已成为精密仪器轴承和光学窗口等关键组件的理想材料。然而，其极高的硬度和化学稳定性也使得传统的机械或化学加工方法难以适用，常常导致边缘碎裂、微裂纹等损伤。这一瓶颈严重限制了基于蓝宝石的先进设备的发展。近年来，飞秒激光加工技术作为一种先进的微加工技术应运而生。其“冷加工”特性（极小的热影响区）、极高的加工精度和较高的加工效率，为在蓝宝石等硬脆材料中制造微结构展现了巨大潜力[2]、[3]、[4]。然而，蓝宝石的高透明度导致激光吸收效率较低，限制了飞秒激光加工技术的进一步发展。
为克服这一挑战，研究人员开发了多种辅助技术，如激光诱导背面湿法蚀刻（LIBWE）[5]、[6]、激光诱导等离子体辅助烧蚀（LIPAA）[7]和激光诱导金属薄膜辅助烧蚀（LIMAA）[8]、[9]。LIBWE可以在蓝宝石上制造复杂的三维结构[10]，但湿法蚀刻过程中产生的气泡可能导致局部过热，从而引发几何误差和微裂纹[11]、[12]。LIPAA技术可以减少局部过热引起的裂纹并降低烧蚀阈值[4]、[13]。然而，影响该机制的关键参数（如靶材-基底距离）仍不明确，且单纯的等离子体轰击存在导致石墨化等二次损伤的风险。相比之下，LIMAA技术（包括在硅和蓝宝石上应用金膜[14]、[15]）避免了等离子体轰击靶材的过程，通过直接在基底上沉积金属膜简化了工艺，能够产生更均匀的表面结构，并避免了离子轰击引起的靶材石墨化问题[9]。其中，文强等人（2020年）使用飞秒激光对涂有纳米金层的蓝宝石基底进行加工，在50次脉冲、每次脉冲150 μJ的能量条件下，材料去除率提高了2.24倍，且烧蚀坑的热裂纹密度更低、形态更优。尽管金膜辅助技术取得了良好的效果，但其高昂的材料成本和难以控制的薄膜均匀性限制了其进一步发展[16]、[17]。
为了缓解传统飞秒（fs）激光加工蓝宝石的局限性，本研究提出了一种等离子体-铜协同烧蚀（PCSA）方法。该方法采用成本较低的铜作为辅助薄膜，并采用背面烧蚀方式，即激光从蓝宝石背面入射，首先穿透蓝宝石材料，最终在蓝宝石/铜薄膜界面完成烧蚀。随后建立了一个基于双温度方程的有限元模型来模拟烧蚀过程，并在多种激光参数下对蓝宝石基底进行了烧蚀实验。同时研究了焦点偏移对蚀刻深度的影响（由于克尔自聚焦效应）。
PCSA的工作原理
蓝宝石的高透明度对其飞秒激光微加工构成了物理障碍。为克服这一限制，本研究采用了一种等离子体-铜薄膜烧蚀方法（见图1）。如图1所示，加工样品由透明蓝宝石基底、沉积在其表面的多层纳米级铜（Cu）薄膜（具体厚度详见实验部分）以及周围空气组成
实验与方法
本研究使用高真空电子束蒸发系统（TEMD600，北京泰诺科技有限公司）在蓝宝石基底和玻璃片上沉积纳米级铜薄膜（如图6所示）。
随后将蓝宝石基底依次放入丙醇和异丙醇溶液中浸泡20分钟，期间进行超声清洗。清洗完成后，用超纯水（电阻率≥18.2 MΩ·cm）冲洗设备
不同脉冲次数对烧蚀坑形态的影响
图10(a-c)展示了在平均功率为10 μW的飞秒激光下，通过LIMAA方法在不同脉冲次数下对蓝宝石表面进行蚀刻后的SEM图像（放大倍数×2300）。实验结果表明，脉冲次数与材料内部热积累效应的增强之间存在明显的相关性。烧蚀过程从初始材料去除逐渐过渡到蒸发阶段，伴随着...结论
本研究验证了利用多层铜薄膜复合方法（PCSA）的等离子体辅助飞秒激光烧蚀技术在提升蓝宝石加工性能方面的综合优势。结果表明，该技术在降低烧蚀阈值、优化烧蚀形态和提高加工稳定性方面具有显著效果。
具体来说，在以下条件下...
作者贡献声明
邓少奇：撰写——原始稿件，验证。张文：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。韩静：资金获取。孙晓：资源准备，方法论设计，实验研究。朱连青：撰写——审稿与编辑，监督，方法论设计，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢以下机构的支持：国家自然科学基金（编号：52275517）、北京市属高校优秀青年人才培养项目（编号：BPHR202203226）、学科人才引进高校计划（编号：D17021）、国家卫生健康委员会医院管理研究所的基于证据的医疗质量管理研究项目（编号：YLZLX24G075）以及国家重点研发计划
