《Materials Science and Engineering: B》：Precision-controlled laser slicing mechanism of isotropic lutetium oxide single crystals
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激光切割技术用于Lu?O?单晶薄片的制备，通过数值模拟与实验验证揭示激光诱导应力及裂纹生成的机理，结合像差校正与多脉冲处理策略，使修改层厚度降至21.4μm，表面粗糙度达0.68μm，同时保持优异结晶性和光学性能，为高功率超快激光器件制造提供新方法。
王立峰|王一楠|李迅|李晨晨|王浩|陈凯|谭宇|江浩|李明
中国科学院西安光学精密机械研究所超快光科学与技术国家重点实验室，中国西安 710119
摘要
基于激光的晶体切割技术在半导体行业中受到了广泛关注，因为该技术在加工过程中材料损耗极低。然而，现有的激光切割技术主要针对各向异性晶体，因为这些晶体的裂纹传播具有优先方向；而对于各向同性晶体，由于缺乏有利的裂纹传播方向，相关应用报道甚少。本文报道了一种用于氧化镥（Lu2O3）单晶的激光切割方法。通过结合数值模拟和实验研究，阐明了激光诱导应力产生及随后裂纹萌生的基本机制。通过实施像差校正和多脉冲处理策略，改性层厚度减少了40.7%，降至21.4 μm。所得到的氧化镥晶体薄盘具有优异的表面质量（粗糙度为0.68 μm），同时保持了与原始锭材相当的高结晶度和光学性能。这种先进的切割方法不仅代表了激光晶体加工技术的重要进步，也为高性能氧化镥薄盘激光系统的发展奠定了基础。
引言
精密控制的切割技术能够从大尺寸块材中分离出薄层，在半导体行业中广泛应用于晶圆制备，包括Si、SiC、GaN [1], [2], [3], [4]。传统的晶圆制备主要依赖于多线锯切，这种方法在材料利用率和加工效率方面存在固有局限性 [5]。相比之下，激光切割作为一种技术更优的替代方案，具有切割损耗小、加工效率高和精度高的显著优势，并已在单晶SiC晶圆的切割中取得成功应用 [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]。由于其出色的性能，基于激光的切割技术被视为未来制造大尺寸超薄晶圆材料的有前景的技术。
近年来，薄盘激光器已成为超短脉冲生成的关键平台，利用其较大的表面积与体积比实现优异的热管理、最小的非线性效应和出色的功率可扩展性。这些协同优势使得激光器能够产生高功率、高能量、高峰值的超快光源，适用于从太赫兹生成和光频率梳到工业加工等多种应用。
氧化镥单晶具有优异的热导率、明显的色散特性和低声子能量，使其在超短脉冲激光生成方面具有巨大潜力 [13], [14], [15]。然而，由于氧化镥的熔点极高（超过2400°C [16], [17], [18]），生长大尺寸单晶具有挑战性。在制备薄盘激光器的增益介质时，传统的多线锯切技术会导致大量材料浪费（切割损耗超过250 μm）。薄盘增益介质的高制造成本成为阻碍其发展和广泛应用的关键因素 [19]。基于激光的切割技术提供了一种低损耗、高效的切割方法，解决了薄盘增益介质的制造难题。然而，目前的激光切割技术主要针对各向异性晶体设计，这些晶体的裂纹沿特定晶体方向扩展。而对于各向同性晶体，激光照射引起的裂纹缺乏优先生长方向，使得基于激光的切割变得非常困难。此外，激光与材料的相互作用机制以及控制切割过程的基本原理尚未得到充分研究。
本文展示了一种多脉冲超快激光切割技术，用于低损耗切割氧化镥单晶，解决了高价值晶体薄盘制备中的关键问题。通过结合模拟和实验验证，阐明了激光处理过程中的温度演变、应力产生和裂纹萌生过程。通过实施像差校正和多脉冲处理策略，改性层厚度减少了40.7%，降至21.4 μm。利用多轴精密运动系统，我们成功实现了垂直于激光传播方向的氧化镥晶体切割，制备出表面粗糙度为0.68 μm的单晶薄片。此外，激光切割的氧化镥晶体薄盘保持了高结晶度和原有的光学性能。这项工作不仅为各向同性材料的激光切割应用奠定了基础，也显著推动了高性能薄盘激光技术的发展。
激光加工系统的光学设置
氧化镥晶体的激光切割使用了一台超快激光系统（波长1030 nm，Pharos公司，立陶宛），脉冲持续时间可调，范围从245 fs到15 ps，单脉冲最大能量为420 μJ。激光加工以50 kHz的重复频率进行，平均功率为40 mW（相当于每个脉冲0.8 μJ）。每个加工位置照射时间为20 ms，相当于每秒施加1000个激光脉冲。
结果与讨论
可调脉冲持续时间的超快激光系统产生的脉冲光束经过准直和扩展后，通过高数值孔径（0.65）物镜聚焦。氧化镥单晶锭固定在计算机控制的X-Y-Z平移台上，可以实现精确的空间操控，从而在晶体内部制备出垂直于光轴的改性层，如图1所示。
结论
总结来说，我们开发了一种基于激光的切割技术，可以精确且无损地制备氧化镥薄盘，同时保持其结构和光学性能。通过实施像差校正技术，优化了内部光场分布，使焦深减少了40.7%，并制备出了表面质量优异的氧化镥晶体切片（Ra = 0.68 μm）。广泛的表征证实了切割效果。
CRediT作者贡献声明
王立峰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、项目管理、方法设计、实验研究、资金获取、数据管理、概念构思。
王一楠：方法设计、数据管理。
李迅：结果验证、数据分析。
李晨晨：结果验证、数据管理。
王浩：软件开发、数据分析。
陈凯：数据分析。
谭宇：结果验证、资源协调。
江浩：方法设计、概念构思。
李明：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
李明报告获得了中国国家重点研发计划的资金支持。王立峰报告获得了国家自然科学基金的资金支持。李明还获得了国防工业技术发展计划的资金支持。
致谢
本工作得到了以下项目的支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4606300）、国家自然科学基金（项目编号：22409214、62275266）、国防工业技术发展计划（项目编号：JCKY2023130C001）以及陕西省重点研发计划（项目编号：S2020-YF-ZDCXL-ZDLGY-0021）。
