中山大学在激光微纳制造领域取得系列进展

激光诱导周期表面结构（LIPSS）为微纳光电子器件制备带来了新思路。掌握LIPSS结构的成因对的后期标准化生产至关重要，但传统实验观测困难无法精确阐释其成形机理。中山大学集成电路学院姚清河教授，上海交通大学张东石长聘副教授和李铸国教授，联合RIKEN团队，通过新型实验手段和仿真模型展示了新型LIPSS结构并揭示了高速漩涡对LIPSS结构和形貌的影响机理，对精准掌握基材的结晶度、潜在的缺陷和应变提供了新的理论依据。相关论文获得光电期刊集群2023年3月的OEA高被引论文奖。

将传统的飞秒激光液相加工、飞秒激光液相冲击和碎裂工艺相结合，本团队首次实现了基于飞秒激光液相冲击碎裂微纳加工易碎硅材料【Int. J. Extrem. Manuf. 2020, 2, 045001】。在激光功率为700 mW超强冲击波作用下，平行沟槽碎裂生成如图1a所示结构，只有部分沟槽没有被破坏。沟槽上有典型的垂直于激光偏振方向的高频周期LIPSS结构，周期在100-200 nm之间（图1b）；在沟槽底部的孔洞呈现如图1c-f所示的圆形和双圆形LIPSS结构，是由流体的漩涡和涡流屏蔽（双漩涡）效应导致的。在小功率（50 mW）情况下，冲击波能量比较小，平行沟槽未被破坏；沟槽底部有一系列孔洞（图1g-h），部分呈现漩涡所致螺旋状结构（图1i）。在沟槽的边缘发现了弧状结构（图1j），展现漩涡长度从沟槽的上部一直到达其底部，影响所有其覆盖LIPSS的发展方向。此外，漩涡还会诱导LIPSS方向倾斜（图1k），使其不再垂直于激光极化方向。仅在沟槽结构的顶部，存在垂直于激光极化方向的LIPSS结构（图1l）。在量纲分析的基础上，对单孔洞在垂直和水平交叠的高速流体作用下的微纳流动、冲击行为进行了仿真，验证漩涡的生成（图1m）。

图1 液体漩涡诱导圆形LIPSS形成和理论仿真验证

新型加工工艺加的压强可达到MPa级，图2a-b所示为仿真获得的漩涡静态压强侧视图和俯视图。超高的压强作用于侧壁会导致平行沟槽碎裂（图1a），还会导致脆性金属钨侧壁沿水平方向碎裂（图2c），在垂直方向留下漩涡的刻蚀痕迹（图2c）。700 mW功率飞秒激光加工硅的结构侧壁也发现了漩涡刻蚀的沟槽（图2d-f），侧壁沟槽结构在顶部和底部有明显的偏移（图2d），表明漩涡不是静态的，而是动态移动的。

改变扫描方向可以获得不同方向偏移的弧状侧壁沟槽（图2e），表明改变扫描方向可以改变漩涡的移动方向。改变扫描速度可以调节漩涡的密度，从而改变漩涡刻蚀沟槽的间距（图2f）。本系列研究表明，漩涡对侧壁施加的压强都会导致严重的结构碎裂。

图2 高压强漩涡导致的结构碎裂和侧壁刻蚀

图3a展示了激光功率为700 mW、扫描间隔为5 μm条件下高密度碎裂生成的类似山状结构（图3a），碎裂表面覆盖着方向交错的LIPSS结构（图3b绿色箭头所示）。图3c仿真了类似结构上的流体方向，可以看到结构曲率会引起流体方向改变，从而导致了方向交错LIPSS结构的形成。实验结果表明了激光在与物质的作用过程中，在所生成结构的辅助下，会产生超高压强的漩涡流场和方向不断变化的流场导致结构碎裂，并能影响LIPSS结构的方向和形貌。

图3 曲面结构上不同方向流体导致方向交错LIPSS结构的形成

论文原文：Zhang DS, Li XZ, Fu Y, Yao QH, Li ZG et al. Liquid vortexes and flows induced by femtosecond laser ablation in liquid governing formation of circular and crisscross LIPSS. Opto-Electron Adv 5, 210066 (2022).

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