在光學和微納加工領域，精確操縱激光以滿足日益增長的微型化需求，是推動現代電子和生物醫學設備發展的重要挑戰。近日，日本東(dong) 北大學的研究人員成功演示了通過幹涉技術增強徑向偏振光束的縱向電場，以提升激光燒蝕技術的精度，成功實現了小於(yu) 100 nm直徑的精細特征加工。這項技術不僅(jin) 在半導體(ti) 製造領域具有潛在應用價(jia) 值，還可能革新醫學領域的微觀操作，同時為(wei) 激光加工技術提供了一種實現納米級精度的新方法。

圖1 研究人員通過塑造激光光束，使其發生全內(nei) 反射，將來自激光的徑向偏振光聚焦到玻璃片遠側(ce) 的非常小的點上，從(cong) 而增強了其縱向電場

縮小激光焦點尺寸：實現細微尺寸特征加工

使用幾百飛秒（10-15 s）的激光脈衝(chong) ，可以精細雕刻出微米級別的特征，而且幾乎不會(hui) 產(chan) 生熱量。但是，現代電子及生物醫療設備通常需要100 nm或更低的細微尺寸特征。滿足這些尺寸要求主要是通過縮小激光焦點的大小，然而，這一目標通常受到激光的波長和用於(yu) 集束光線的透鏡數值孔徑製約。

縮小光斑尺寸的一種方法是使用徑向偏振光束，即光束的電場矢量全部指向其中心。這種光束可以通過在焦點處產(chan) 生縱向電場，從(cong) 而提高分辨率，相較於(yu) 傳(chuan) 統的線性或圓偏振光而言有所改進。徑向偏振已經在一種特定形式的顯微鏡技術中得到應用，它也有潛力改善超快激光加工技術。

然而，在不同材料之間的界麵處產(chan) 生足夠強的縱向電場是一個(ge) 主要挑戰。縱向電場的強度隨著所涉及兩(liang) 種材料的折射率平方比例的變化而變化，因此，當光線從(cong) 空氣進入玻璃等材質時，其強度可能會(hui) 嚴(yan) 重減弱。

創新聚焦策略：徑向偏振光束和幹涉增強

最近，日本東(dong) 北大學的Yuichi Kozawa及其同事展示了如何通過將徑向偏振光束聚焦在透明材料內(nei) 側(ce) 的遠表麵，而非較近的外側(ce) 表麵，來克服這一問題。他們(men) 還通過利用入射波和反射波之間的幹涉來增強縱向場的強度。

研究人員首先通過計算機模擬，研究了徑向偏振光束的縱向場強度及其光斑尺寸在通過高數值孔徑透鏡聚焦時的變化情況。他們(men) 發現，在空氣中，強度在焦點處達到最高，形成一個(ge) 緊湊的圓形斑點。仿真結果表明，如果光束聚焦於(yu) 玻璃塊表麵，折射率的差異會(hui) 降低強度，形成一個(ge) 環形斑點。

然而，Yuichi Kozawa及其團隊展示了他們(men) 能通過將光聚焦至玻璃的遠側(ce) ，並把透鏡放入油中來恢複較小的光斑尺寸。由於(yu) 油的折射率與(yu) 玻璃相同，去除了上層界麵的影響，消除了其邊界條件並重新獲得了縱向場的強度。

通過實驗驗證了這些模擬結果，他們(men) 使用約300 fs、波長為(wei) 1040 nm的激光脈衝(chong) ，通過一個(ge) 分段的半波片後，將其聚焦在硼矽酸鹽玻璃板的前麵或後麵。采用三種不同的透鏡和方位光，他們(men) 發現隻有在使用徑向偏振光束並且用數值孔徑為(wei) 1.4的透鏡將脈衝(chong) 聚焦至玻璃板的背麵時，才能生成直徑約為(wei) 200 nm的圓形燒蝕坑，而不是環形坑。

圖2 通過單次激光照射玻璃背麵，使用環形的徑向偏振光束製造出一個(ge) 大小約為(wei) 波長1/16的燒蝕坑

增強縱向場強度：提高激光加工空間分辨率

此外，研究人員還探索了如何通過最大化入射波和從(cong) 玻璃背麵反射的波之間的幹涉來增強縱向場強度。正如他們(men) 在論文中解釋的那樣，當所有光線反射而非折射時，即當光束以玻璃和空氣的臨(lin) 界角入射時，這一現象就會(hui) 發生。因此，他們(men) 推理，通過將光束輪廓塑造成一個(ge) 狹窄的環形來限製入射波的角度，應該可以實現這一點。

通過實驗，他們(men) 證實了這個(ge) 想法。在實驗中，他們(men) 利用空間光調製器傳(chuan) 遞激光脈衝(chong) ，以產(chan) 生具有不同參數的環狀圖案，隨後對這些脈衝(chong) 施加徑向偏振，並將其聚焦至玻璃板的遠端。實驗結果表明，環形參數可以在一係列數值內(nei) 變化，仍能生成光斑形狀的燒蝕坑。但實驗也證實，隻有當這些參數接近於(yu) 實現臨(lin) 界角所需的數值時，才能得到最小的光斑，該光斑寬度僅(jin) 為(wei) 67 nm，約為(wei) 激光光波長的1/16。

Yuichi Kozawa及其同事認為(wei) ，這些結果證明了通過操縱徑向偏振激光束的縱向電場，可以控製燒蝕特征的大小。因此，他們(men) 表示，這項工作有望提高激光加工的空間分辨率，實現納米級加工工藝。

研究人員解釋說，這種利用全內(nei) 反射的想法可以應用於(yu) 許多現有的技術，這些技術涉及將激光束聚焦在透明材料的遠表麵。他們(men) 補充說，通過改變激光波長，其他材料也可以應用這種方法，例如，可以使用1100 nm或更長的激光加工矽。

原文鏈接：

https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2024/april/a_cut_above_for_laser_processing/?src=hplead

科學編輯 | 佚名