เทคโนโลยีการเขียนโดยตรงด้วยเลเซอร์ Femtosecond เป็นเทคโนโลยีการประมวลผลไมโครนาโนชนิดหนึ่งที่สามารถโฟกัสลำแสงเลเซอร์แบบพัลซิ่งบนพื้นผิวหรือด้านในของวัสดุ และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเฉพาะที่ของวัสดุผ่านปฏิสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นของเลเซอร์กับ วัสดุในพื้นที่โฟกัส ซึ่งมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น ไมโครฟลูอิดิกส์ ไมโครนาโนโฟโตนิกส์ ออพติกแบบรวม และอื่นๆ เทคโนโลยีการเขียนโดยตรงด้วยเลเซอร์ femtosecond แบบดั้งเดิมมีปัญหาความไม่สมดุลระหว่างความละเอียดการประมวลผลตามขวางและความละเอียดตามแนวแกน และความละเอียดตามแนวแกนนั้นยาวขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งจำกัดการใช้เลเซอร์ femtosecond ในการประมวลผลสามมิติในระดับหนึ่ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อสร้างความสมดุลระหว่างความแตกต่างระหว่างความละเอียดด้านข้างและแนวแกนของการเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรงด้วย femtosecond จึงได้มีการเสนอเทคนิคการสร้างลำแสงหลายอย่าง เช่น เทคนิคการสร้างรอยตัด เทคนิคการสร้างรูปร่างสายตาเอียง และเทคนิคการฉายรังสีแบบข้ามลำแสง อย่างไรก็ตาม เทคนิคเหล่านี้ไม่สามารถบรรลุการประมวลผลไอโซทรอปิกสามมิติโดยใช้เลนส์ใกล้วัตถุเดี่ยวได้
เทคนิคการโฟกัส Spatiotemporal เดิมทีได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้งานด้านการสร้างภาพทางชีวภาพ และได้ถูกนำมาใช้ในสาขาไมโครแมชชีนนิ่งเลเซอร์แบบเฟมโตวินาที เทคโนโลยีการโฟกัสเชิงพื้นที่ด้วยเลเซอร์ Femtosecond มอบมิติใหม่ของการโฟกัสแบบชั่วคราว ช่วยให้สามารถปรับปรุงความละเอียดของโครงสร้างตามแนวแกนได้อย่างเป็นเลิศ และขจัดผลกระทบจากการโฟกัสตัวเองแบบไม่เชิงเส้น กลไกของเทคโนโลยีการโฟกัสเชิงพื้นที่คือ: ส่วนประกอบสเปกตรัมที่แตกต่างกันของเลเซอร์เฟมโตวินาทีจะถูกกระจายเชิงพื้นที่ผ่านตะแกรงคู่ จากนั้นแสงที่กระจายเชิงพื้นที่จะถูกโฟกัสผ่านเลนส์ใกล้วัตถุ ส่วนประกอบสเปกตรัมที่แตกต่างกันจะรวมตัวกันอีกครั้งที่จุดโฟกัส และความกว้างของพัลส์ กลับคืนสู่ลำดับขนาดเฟมโตวินาที
ในปัจจุบัน การศึกษาที่มีอยู่ส่วนใหญ่เกี่ยวกับไมโครแมชชีนนิ่งแบบสามมิติด้วยการโฟกัสเชิงพื้นที่ด้วยเลเซอร์ femtosecond นั้นขึ้นอยู่กับแบนด์วิธกว้าง เลเซอร์อัญมณีไทเทเนียมความถี่การทำซ้ำต่ำ และความถี่การทำซ้ำต่ำจะจำกัดความเร็วของการประมวลผลด้วยเลเซอร์ ดังนั้นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการโฟกัสเชิงพื้นที่ สำหรับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ femtosecond ความถี่สูงซ้ำๆ ถือเป็นข้อกำหนดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการตอบสนองความต้องการของการประมวลผลแอนไอโซทรอปิกสามมิติที่มีประสิทธิภาพสูงในเวลาเดียวกัน อย่างไรก็ตาม แบนด์วิดท์ของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ femtosecond ความถี่สูงซ้ำมักจะแคบ ปริมาตรการกระจายเชิงพื้นที่ทำให้เกิดเสียงเจี๊ยบเวลาเชิงลบจำนวนมาก และเลเซอร์เองก็ไม่สามารถชดเชยเวลาที่เพียงพอ ส่งผลให้ความกว้างของพัลส์ที่จุดโฟกัสไม่ ความสามารถในการคืนค่าเป็นลำดับความสำคัญ femtosecond ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการโฟกัสเชิงพื้นที่ชั่วคราวกับการประมวลผลเลเซอร์ความถี่สูงซ้ำ ดังนั้น การประมวลผลไอโซโทรปิกสามมิติที่ใช้เทคโนโลยีการโฟกัส spatiotemporal เลเซอร์ femtosecond ความถี่หนักสูง จำเป็นต้องให้การชดเชยเวลาเพิ่มเติม
จุดเด่นของการวิจัย
ทีมงานของ Prof. Yangjian Cai จาก Shandong Normal University และ Prof. Ya Cheng จาก East China Normal University ได้ร่วมมือกันเสนอรูปแบบการชดเชยเวลาของโพรงพิเศษสำหรับเลเซอร์ความถี่สูง ซึ่งช่วยให้เกิดการตัดเฉือนไอโซโทรปิกสามมิติที่มีประสิทธิภาพสูง ขึ้นอยู่กับเทคนิคการโฟกัส spatiotemporal ของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ femtosecond ความถี่สูง ในงานนี้ เครื่องขยายพัลส์ของ Martinez ที่สร้างขึ้นภายนอกเลเซอร์ใช้เพื่อส่งเสียงเจี๊ยบเชิงบวกตามเวลาจำนวนมากเพื่อขยายความกว้างของพัลส์เป็นลำดับขนาดพิโควินาที จากนั้นจึงกระจายการกระจายเชิงพื้นที่ของคอมเพรสเซอร์แบบตะแกรงผ่านครั้งเดียว (ตะแกรง คู่) และการโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุทำให้แน่ใจได้ว่าส่วนประกอบสเปกตรัมต่างๆ จะรวมตัวกันอีกครั้งที่จุดโฟกัสโดยมีความกว้างพัลส์ตามลำดับความสำคัญเฟมโตวินาที ระบบการทดลองจะแสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 แผนผังของอุปกรณ์ประมวลผลไอโซโทรปิกสามมิติที่ใช้เทคโนโลยีการโฟกัสเชิงพื้นที่ด้วยเลเซอร์ femtosecond ความถี่สูง
เป็นที่ทราบกันดีว่าผลกระทบของการประมวลผลด้วยเลเซอร์ femtosecond ได้รับผลกระทบจากทิศทางการประมวลผล พลังงานพัลส์ และความลึกในการประมวลผล ฯลฯ ทีมงานของ Prof. Yangjian Cai เพื่อตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์โฟกัสเชิงพื้นที่มีความสามารถในการประมวลผลไอโซโทรปิกสามมิติหรือไม่ และทีมงานของศาสตราจารย์ Cheng Ya ได้สาธิตภาพตัดขวางของอุปกรณ์ในทิศทางต่างๆ ที่ความลึกต่างกัน และประมวลผลโดยพลังงานพัลส์ต่างๆ ภายในกระจกไวแสง (ดังแสดงในรูปที่ 2) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความละเอียดในทิศทางที่แตกต่างกันจะเท่ากันและเป็นวงกลม และความละเอียดในการประมวลผลไอโซโทรปิก 3 มิติ (8-22 μm) จะเป็นสัดส่วนกับพลังงานพัลส์และไม่ไวต่อความลึกในการประมวลผล ความสำคัญของงานนี้ส่วนใหญ่อยู่ที่การผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพการประมวลผลที่สูงและความละเอียดการประมวลผลไอโซโทรปิก 3D ที่ปรับได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นวิธีการทางเทคนิคใหม่สำหรับการประมวลผลด้วยเลเซอร์
รูปที่ 2 อิทธิพลของทิศทางที่แตกต่างกัน พลังงานพัลส์ และความลึกในการประมวลผลต่อความละเอียดในการประมวลผลของระบบโฟกัสชั่วขณะ
เพื่อที่จะแสดงให้เห็นความสามารถในการประดิษฐ์สามมิติของอุปกรณ์โฟกัสเวลาในอวกาศได้อย่างเป็นธรรมชาติมากขึ้น ทีมวิจัยได้รวมเทคโนโลยีการโฟกัสเวลาในอวกาศเข้ากับวิธีการกัดกร่อนหลังการใช้สารเคมี เพื่อสร้างโครงสร้างไมโครฟลูอิดิกแบบไอโซโทรปิกสามมิติที่หลากหลายภายใน แก้วไวแสง เมื่อเปรียบเทียบกับการประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม อุปกรณ์นี้มีข้อดีคือมีประสิทธิภาพสูง ความละเอียดในการประมวลผลไอโซโทรปิก 3 มิติที่ปรับได้อย่างต่อเนื่อง ความไม่ไวต่อความลึกในการประมวลผล ฯลฯ ผลการวิจัยนี้คาดว่าจะนำไปใช้กับชิปไมโครฟลูอิดิก 3 มิติ การผลิตชิปโฟโตนิก ตลอดจน การพิมพ์เลเซอร์ 3 มิติ และสาขาอื่นๆ
