米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）光电基础技术研究部，奈良崎爱子，首席研究员，高田英幸，吉富大学首席研究员。首席研究员是国立大学法人东京农工大学（以下简称“农工大学”）工学研究科高等物理与工学部的宫地悟教授，该研究所的研究生兼研究助理永井。我们与Daisuke先生（当时）和Takesuke Miyoshi先生合作，开发了一种数据驱动的激光加工技术，利用激光加工在玻璃表面形成低缺陷的纳米尺寸周期性结构（纳米周期结构）。
通过在玻璃表面形成纳米周期结构，可以赋予低反射表面等效果，有望应用于高性能显示器和光学器件。近年来，飞秒激光脉冲纳米加工玻璃表面的技术并开发了一种实时监测所形成的纳米周期结构的技术。然而，由于玻璃表面的纳米加工高度依赖于玻璃的表面状况和激光照射条件，因此存在难以稳定地形成没有裂纹等缺陷的纳米周期结构的技术问题。
这次，基于玻璃表面纳米加工的实时监测数据，飞秒激光脉冲的强度高速增加反馈控制我们建立了数据驱动的激光加工系统，可以将玻璃表面纳米加工的缺陷率降低到1/30。这一结果将有助于生产光学元件，选择性地赋予所需区域高功能，例如光反射、吸收和透射的量。
该技术的详细信息将于 2025 年 2 月 13 日发布。轻：先进制造
玻璃是一种透明且坚硬的材料，但通过在其表面形成与光具有相同波长的纳米结构，可以自由控制光学特性，例如反射、吸收和透射的光量。例如，可以创建抑制光反射或根据波长改变透射率的光学表面，并且有望应用于抑制表面反射的高性能显示器和选择性地透射可见光的窗玻璃。
最近，有报道称，只需用多个飞秒激光脉冲照射玻璃表面即可直接在玻璃表面形成纳米周期结构，并且已积极研究将其应用于上述光学表面。然而，根据激光照射条件和玻璃的表面状况，在加工过程中可能会发生脆性断裂，从而难以稳定地形成没有裂纹或其他缺陷的周期性纳米结构。
利用飞秒激光脉冲在材料表面形成周期性纳米结构的技术已应用于工业应用，例如金属材料。 AIST一直与农工大学合作开发精密加工技术，将该技术应用于玻璃表面。近年来，我们开发了一种实时监测纳米周期结构的技术，在使用飞秒激光脉冲在玻璃表面制造纳米周期结构时，通过光测量玻璃的透射率和反射率。*1
这次，我们致力于构建一个数据驱动的激光加工系统，该系统可以根据玻璃表面纳米周期结构的实时监测数据，通过高速反馈控制飞秒激光脉冲的强度。
玻璃表面是否存在尺寸小于光波长的纳米周期结构蛾眼效果降低表面反射率并增加透射率。我们将这种现象作为检测激光加工过程中周期性纳米结构形成的目标（图 1a）。在实验中，通过以恒定速度移动合成石英玻璃，同时使用物镜将飞秒激光脉冲聚焦到合成石英玻璃的表面来进行激光加工。然后，在该玻璃表面上分别使用波长为660 nm和850 nm的发光二极管作为同轴落射照明和透射照明光源，并使用两个CMOS相机获得激光加工表面的每个波长的显微图像。通过将获得的显微图像与之前获得的未经激光加工的区域的显微图像进行比较，我们确定了来自激光加工区域的反射光强度与来自未加工区域的反射光强度的比率（相对反射率），以及来自激光加工区域的透射光强度与来自未加工区域的透射光强度的比率（相对透射率）。此外，我们使用扫描电子显微镜（SEM）观察了加工后的合成石英玻璃基板的表面和横截面，并创建了一个工艺数据库，该数据库将激光加工过程中监测到的相对反射率和相对透射率联系起来（图1b）。结果，我们发现，在图1b中红色圆圈所示的相对反射率和透射率下，均匀地形成了周期约为200 nm、深度约为1 µm的线性纳米周期结构。
图1（a）纳米周期结构的检测原理和（b）激光加工过程中的监测数据（相对反射率和相对透射率）与加工表面之间的相关性
*原始论文中的数字被引用或修改。
接下来，我们发现，通过反馈控制飞秒激光脉冲的强度，使激光照射期间的相对反射率和透射率达到形成所需纳米周期结构的值，一条线照射区域（长度1毫米）内的纳米周期结构的缺陷率为24%，约为不进行控制时244%的十分之一。此外，当对宽度为100μm、长度为20μm的区域进行激光加工时，纳米周期结构的缺陷率在无控制的情况下约为64%，而在有控制的情况下约为2%，并且通过使用数据驱动的激光加工系统的反馈控制，我们能够将缺陷率降低至约1/30（图2）。通过利用这种反馈控制在合成石英玻璃的两侧形成纳米周期结构，我们成功地形成了具有高透光率的低反射玻璃（示意图）。
图2 反馈控制导致的纳米周期结构缺陷率差异
此外，我们更详细地研究了纳米周期结构的形成和透射率之间的关系，这是该方法中过程监测的重要元素。通过激光加工在表面形成纳米周期结构，从而降低了反射率，但在过程监控过程中，观察到远远超过由此计算出的透射率（约15倍）的值。为了阐明原因，LED 透过具有纳米结构的玻璃表面光电场的幅度和相位,时域有限差分法进行数值模拟。结果，我们发现透过具有纳米周期结构的玻璃表面的光的电场幅度（亮度）并没有降低（图3，左）。此外，由于纳米周期结构形成区域（图3右）的波前畸变，发现发生光干涉，并且在测量相机上透射光强度似乎增加。这对于进一步提高效率（例如加快该方法的速度）来说将是一个重要的发现。
图3 透过纳米周期结构玻璃传输的光电场振幅和相位分布的仿真结果
*原始论文中的数字被引用或修改。
所开发的数据驱动激光加工系统可应用于包括多组分玻璃以及蓝宝石在内的多种玻璃，因此有望用作多种硬、脆和透明材料的高质量表面纳米结构形成技术，而无需多重工艺或化学品。此外，由于只需改变激光脉冲的照射位置即可移动被加工部件，因此被加工材料的尺寸不受限制，可以轻松地对米级面积进行纳米加工。目前还没有技术可以在如此大的面积上进行纳米级的微加工，有望应用于超材料表面形成、结构色表面处理、宽带无反射表面形成以及照明光源的定向表面形成等。这一结果是使用工艺监控速度有限的设备实现稳定成型的基本演示。未来，我们将继续研究能够处理更高速度和更大面积的设备配置，并努力开发技术以将该技术实际应用到生产线上。
已出版的杂志：轻：先进制造
论文标题：通过使用实时监控和主动反馈控制在玻璃上稳定制造飞秒激光诱导的周期性纳米结构
作者：Godai Miyaji、Daisuke Nagai、Takemichi Miyoshi、Hideyuki Takada、Dai Yoshitomi 和 Aiko Narazaki
DOI：1037188/lam2025003