Abstract

We have conducted experimental investigations for the micromachining of dielectrics (fused silica) using an in tegrated femtosecond (fs) and nanosecond (ns) dual-beam laser system at different time delays between the fs and ns pulses. We found that the maximum ablation enhancement occurs when the fs pulse is shot near the peak of the ns pulse envelope. Enhancements up to 13.4 times in ablation depth and 50.7 times in the amount of material removal were obtained, as compared to fs laser ablation alone. The fs pulse increases the free electron density and changes the optical properties of fused silica to have metallic characteristics, which increases the absorption of the ns laser energy. This study provides an opportunity for efficient micromachining of dielectrics.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
    [CrossRef]
  2. P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
    [CrossRef]
  3. R. R. Gattass and E. Mazur, Nature Photon. 2, 219 (2008).
    [CrossRef]
  4. L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
    [CrossRef]
  5. M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
    [CrossRef]
  6. L. Jiang and H. L. Tsai, ASME J. Heat Transfer 127, 1167 (2005).
    [CrossRef]
  7. B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
    [CrossRef]
  8. K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
    [CrossRef]
  9. J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).
  10. Y. P. Deng, X. H. Xie, H. Xiong, Y. X. Leng, C. F. Cheng, H. H. Lu, R. X. Li, and Z. Z. Xu, Opt. Express 13, 3096 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
    [CrossRef]
  12. A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
    [CrossRef]
  13. B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. L. Jiang and H. L. Tsai, Int. J. Heat Mass Transfer 48, 487 (2005).
    [CrossRef]

2008 (1)

R. R. Gattass and E. Mazur, Nature Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

2005 (5)

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, ASME J. Heat Transfer 127, 1167 (2005).
[CrossRef]

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Int. J. Heat Mass Transfer 48, 487 (2005).
[CrossRef]

Y. P. Deng, X. H. Xie, H. Xiong, Y. X. Leng, C. F. Cheng, H. H. Lu, R. X. Li, and Z. Z. Xu, Opt. Express 13, 3096 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

2002 (1)

B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
[CrossRef]

2000 (1)

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

1999 (1)

M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
[CrossRef]

1998 (1)

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

1995 (3)

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1994 (1)

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

Armas, M. S.

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

Banks, P. S.

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

Campbell, E. M.

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

Cheng, C. F.

Cheng, Z.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Deng, Y. P.

Dodell, A. L.

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

Du, D.

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

Dutta, S. K.

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

Feit, M. D.

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Forsman, A. C.

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

Gattass, R. R.

R. R. Gattass and E. Mazur, Nature Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

Gibson, G. N.

M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
[CrossRef]

Jiang, L.

L. Jiang and H. L. Tsai, Int. J. Heat Mass Transfer 48, 487 (2005).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, ASME J. Heat Transfer 127, 1167 (2005).
[CrossRef]

Kaiser, A.

B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
[CrossRef]

Kautek, W.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Korn, G.

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

Krausz, F.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Krüger, J.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Leng, Y. X.

Lenzner, M.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Li, M.

M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
[CrossRef]

Li, R. X.

Liu, X.

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

Lu, H. H.

Mazur, E.

R. R. Gattass and E. Mazur, Nature Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

Menon, S.

M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
[CrossRef]

Midorikawa, K.

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

Mourou, G.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

Nakamura, A.

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

Nibarger, J. P.

M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
[CrossRef]

Ohnuma, Y.

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

Perry, M. D.

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Pronko, P. P.

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

Rethfeld, B.

B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
[CrossRef]

Rubenchik, A. M.

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Rudd, J. V.

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

Sartania, S.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Shore, B. W.

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Simon, G.

B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
[CrossRef]

Spielmann, C.

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

Squier, J.

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

Stuart, B. C.

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Sugioka, K.

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

Takahashi, T.

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

Tashiro, H.

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

Toyoda, K.

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

Tsai, H. L.

L. Jiang and H. L. Tsai, ASME J. Heat Transfer 127, 1167 (2005).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Int. J. Heat Mass Transfer 48, 487 (2005).
[CrossRef]

Vicanek, M.

B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
[CrossRef]

Wada, S.

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

Xie, X. H.

Xiong, H.

Xu, Z. Z.

Zhang, J.

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

Appl. Phys. A (1)

J. Zhang, K. Sugioka, T. Takahashi, K. Toyoda, and K. Midorikawa, Appl. Phys. A 71, 23 (2000).

Appl. Phys. Lett. (3)

D. Du, X. Liu, G. Korn, J. Squier, and G. Mourou, Appl. Phys. Lett. 64, 3071 (1994).
[CrossRef]

L. Jiang and H. L. Tsai, Appl. Phys. Lett. 87, 151104 (2005).
[CrossRef]

K. Sugioka, S. Wada, H. Tashiro, K. Toyoda, Y. Ohnuma, and A. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 67, 2789 (1995).
[CrossRef]

ASME J. Heat Transfer (1)

L. Jiang and H. L. Tsai, ASME J. Heat Transfer 127, 1167 (2005).
[CrossRef]

Int. J. Heat Mass Transfer (1)

L. Jiang and H. L. Tsai, Int. J. Heat Mass Transfer 48, 487 (2005).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

A. C. Forsman, P. S. Banks, M. D. Perry, E. M. Campbell, A. L. Dodell, and M. S. Armas, J. Appl. Phys. 98, 033302 (2005).
[CrossRef]

Nature Photon. (1)

R. R. Gattass and E. Mazur, Nature Photon. 2, 219 (2008).
[CrossRef]

Opt. Commun. (1)

P. P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, and G. Mourou, Opt. Commun. 114, 106 (1995).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Phys. Rev. B (1)

B. Rethfeld, A. Kaiser, M. Vicanek, and G. Simon, Phys. Rev. B 65, 214303 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (3)

M. Lenzner, J. Krüger, S. Sartania, Z. Cheng, C. Spielmann, G. Mourou, W. Kautek, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 80, 4076 (1998).
[CrossRef]

B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

M. Li, S. Menon, J. P. Nibarger, and G. N. Gibson, Phys. Rev. Lett. 82, 2394 (1999).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic diagram of the entire fs–ns dual-beam micromachining system: HWP, half-wave plate; P, polarizer; M, mirror; FM, flipped mirror; DM, dichroic mirror; BS, beam splitter; and OL, objective lens.

Fig. 2
Fig. 2

Fs–ns pulse pairs with different time delays.

Fig. 3
Fig. 3

Cross-sectional images of the holes machined by (a) five 120 fs pulses, (b) five 30 ns pulses, (c) five fs–ns pulse pairs with 60 ns time delay, (d) five fs–ns pulse pairs with 30 ns time delay, (e) five fs–ns pulse pairs with 0 ns time delay, (f) five fs–ns pulse pairs with + 30 ns time delay, (g) five fs–ns pulse pairs with + 60 ns time delay, and (h) summary of the experimental results. The scale bar is 1 μm .

Metrics