激光縱波加工：突破激光微納加工衍射極限的新原理
本文第一作者為英國曼徹斯特大學(xué)李趙青博士，現就職于華日激光。通訊作者為李琳院士與Olivier Allegre博士。
導讀
近日，英國曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心李琳院士團隊在縱波場(chǎng)材料加工領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。項目負責人李趙青博士利用S波片及空間光調制器對飛秒激光的偏振、波前、以及振幅依次進(jìn)行調制（圖1），成功生成了高達94.7%的高純度激光縱波場(chǎng)，通過(guò)聚焦800納米紅外波長(cháng)飛秒激光，在藍寶石上實(shí)現了高深寬比的10納米孔徑加工。這一研究成果揭示了一種全新的基于縱波場(chǎng)粒子加速特性的激光材料燒蝕理論。
創(chuàng )新研究
研究團隊利用空間光調制器，對準直高斯光進(jìn)行了振幅調制。先將準直光整形為完美高斯光，消除其在能量分布上存在的不均勻性。隨后進(jìn)一步移除高斯光中間區域的能量，首次生成了極細的高均勻度環(huán)形光（圖2）。
徑向偏振的環(huán)形光經(jīng)過(guò)高數值孔徑物鏡聚焦后，生成縱波場(chǎng)的示意圖如圖3所示。為了產(chǎn)生高質(zhì)量的縱波場(chǎng)，研究團隊使用數值孔徑為0.95的物鏡進(jìn)行聚焦。利用空間光調制器對物鏡聚焦過(guò)程中伴隨的球差進(jìn)行了精準校正，確保環(huán)形光被聚焦于唯一平面內。
將具有線(xiàn)偏振或角向偏振的超快激光聚焦于藍寶石表面，會(huì )產(chǎn)生平緩的凹坑。而具有徑向偏振的激光聚焦產(chǎn)生的縱波場(chǎng)則實(shí)現了10納米的加工尺寸，突破了相對于激光波長(cháng)1/80的超衍射極限加工能力（圖4）。經(jīng)分析，附著(zhù)在基體表面加工區域周?chē)奈镔|(zhì)，是由材料內部融化溢出后的沉積，并非熱影響區。
通過(guò)聚焦離子束顯微鏡（FIB-SEM）對結果進(jìn)行切割分析，可以看到縱波場(chǎng)加工產(chǎn)生了極高的深寬比（大于16:1）（圖5）。這一結果進(jìn)一步證明了縱波場(chǎng)技術(shù)具有高精度激光直寫(xiě)的巨大潛力。
普通激光加工產(chǎn)生的標準庫倫爆炸將能量傳遞給電子系統，實(shí)現去除材料的目的。而具有縱波場(chǎng)的激光光束，其電場(chǎng)方向與激光傳播方向一致，可表現粒子加速的特性，使得帶負電荷的電子和帶正電荷的離子以極窄的角度噴發(fā)，從而使得材料去除過(guò)程相比標準庫倫爆炸更加高效，且具有突破衍射極限的分辨率（圖6）。高純度的縱波場(chǎng)材料加工過(guò)程揭示了不同于傳統的激光燒蝕機制，同時(shí)打破了激光聚焦與材料去除的局限，進(jìn)而實(shí)現了超高分辨率和超高深寬比的加工。研究表明，縱波場(chǎng)不僅可被應用于透明材料，其特性也被體現在金屬和半導體材料的加工上。
論文信息該研究成果以“Realising high aspect ratio 10 nm feature size in laser materials processing in air at 800 nm wavelength in the far-field by creating a high purity longitudinal light field at focus”為題在線(xiàn)發(fā)表在Light: Science & Applications。本文第一作者為英國曼徹斯特大學(xué)李趙青博士，現就職于武漢華日精密激光股份有限公司，從事激光微納加工相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。通訊作者為李琳院士與Olivier Allegre博士。
論文地址https://www.nature.com/articles/s41377-022-00962-x,
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