Wetenschap
Onderzoekers identificeren een nieuwe methode om de resolutie van laserverwerking te verbeteren
Door een op maat gemaakte laserstraal door transparant glas te focusseren, kan er een klein plekje in het materiaal ontstaan. Onderzoekers van de Tohoku Universiteit hebben gerapporteerd over een manier om dit kleine plekje te gebruiken om de verwerking van lasermateriaal te verbeteren, waardoor de verwerkingsresolutie wordt verhoogd.
Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Optics Letters .
Laserbewerking is, net als boren en snijden, van cruciaal belang in sectoren als de automobielsector, de halfgeleiderindustrie en de geneeskunde. Laserbronnen met ultrakorte puls, met pulsbreedtes van picoseconden tot femtoseconden, maken nauwkeurige verwerking mogelijk op een schaal variërend van microns tot tientallen microns. Maar recente ontwikkelingen vereisen zelfs nog kleinere schaalgroottes, onder de 100 nanometer, waar bestaande methoden moeite mee hebben.
De onderzoekers concentreerden zich op een laserstraal met radiale polarisatie, ook wel een vectorstraal genoemd. Deze straal genereert een longitudinaal elektrisch veld in het brandpunt, waardoor een kleinere vlek ontstaat dan conventionele stralen.
Wetenschappers hebben dit proces geïdentificeerd als veelbelovend voor laserverwerking. Eén nadeel is echter dat dit veld binnen het materiaal zwakker wordt als gevolg van lichtbreking op het grensvlak tussen lucht en materiaal, waardoor het gebruik ervan wordt beperkt.
"We hebben dit overwonnen door gebruik te maken van een objectieflens met olie-immersie (iets dat vaak wordt aangetroffen in biologische microscopen) voor de laserbewerking van glassubstraten", zegt Yuichi Kozawa, universitair hoofddocent aan het Institute for Multidisciplinaire Research for Advanced Materials (IMRAM) van de Tohoku Universiteit en co-auteur van de krant. "Omdat de immersieolie en het glas vrijwel identieke brekingsindices hebben, buigt het licht dat erdoorheen gaat niet af."
Verder onderzoek van het gedrag van de radiaal gepolariseerde bundel wanneer gefocusseerd met een ringvormige vorm onthulde dat het longitudinale veld aanzienlijk is verbeterd. Deze verbetering vindt plaats vanwege de totale reflectie bij hoge convergerende hoeken op het achteroppervlak tussen het glas en de lucht. Door gebruik te maken van een ringvormige, radiaal gepolariseerde straal creëerden Kozawa en zijn collega's een klein brandpunt.
Van daaruit pasten ze deze methode toe om een glasoppervlak te laserbewerken met een ultrakorte pulslaserstraal. Eén enkele opname van de omgezette puls op de achterkant van een glazen substraat creëerde een gat met een diameter van 67 nanometer, ongeveer 1/16 van de golflengte van de laserstraal.
"Deze doorbraak maakt directe materiaalverwerking met verbeterde precisie mogelijk met behulp van het verbeterde longitudinale elektrische veld", voegt Kozawa toe. "Het biedt een eenvoudige aanpak om verwerkingsschalen onder de 100 nm te realiseren en opent nieuwe mogelijkheden voor laser-nanoverwerking in verschillende industrieën en wetenschappelijke velden."