吉林大學電子科學與工程學院超快光電技術團隊在固體超分辨激光加工領域取得重要進展

日前，吉林大學電子科學與工程學院超快光電技術研究團隊在固體超分辨激光加工領域取得重要進展，該研究成果以“Super-stealth dicing of transparent solids with nanometric precision”為題在線發表於《自然·光子學》。

經過數十年的發展，基於(yu) 激光的精密切割、鑽孔和表麵結構化已經成為(wei) 現代工業(ye) 中不可或缺的關(guan) 鍵技術，並在微電子、光學和醫學等領域發揮著日益重要的作用。然而，目前針對介質或半導體(ti) 的最先進的激光切割技術仍然受限於(yu) 近微米級的空間分辨率和102量級的深寬比。這種限製並非技術上的，而是源自於(yu) 光的波動性引起的傅立葉帶寬定理（等價(jia) 於(yu) 量子物理的海森堡不確定性原理）。簡而言之，當試圖通過將激光聚焦得更緊來獲得更高的橫向分辨率時，光束的發散角度會(hui) 變大，從(cong) 而阻礙切割切口的縱向深度和均勻性。目前主流的解決(jue) 方案，包括廣泛使用的縱向多焦點陣列、貝塞爾-高斯光束（近似無衍射光）和由克爾效應引起的非線性激光成絲(si) ，仍然局限於(yu) 衍射光學範疇內(nei) 對光場的拉伸和壓縮，故不可能突破上述物理基本原理的限製。同時，超快激光的非線性閾值效應雖然能有效地提升激光加工的橫向精度，但由於(yu) 閾值效應會(hui) 同時縮短激光加工的縱向深度，其並不能有效提升結構的深寬比。由於(yu) 上述原因，盡管傳(chuan) 統的空間光場調製方法已經在微米或亞(ya) 微米尺度上取得了令人印象深刻的高深寬比激光加工成就，但一旦橫向加工分辨率達到百納米級別或更低，所製造的結構的深寬比會(hui) 迅速降至約102量級甚至更低。

針對這一困難，研究團隊提出了一種創新思路：利用瞬態的、非線性的激光-材料相互作用，以克服上述物理原理對納米級激光高縱橫比加工的限製。具體(ti) 來說，他們(men) 利用激光誘導的初始損傷(shang) 區域作為(wei) 一個(ge) “種子結構”，來引發所謂的“背散射幹涉攀爬”效應，引導高縱橫比納米結構的形成和演化。一方麵，在遠場區域，種子結構可以產(chan) 生反向散射波，與(yu) 入射光場相幹幹涉，沿光軸引起能量分布的周期調製，從(cong) 而促進光強度極大值處的新種子結構的生成；與(yu) 此同時，在近場區域，由於(yu) 種子結構的納米級特征尺寸，光學近場可以在不連續邊界處被激發，促進納米結構沿縱向（與(yu) 激光傳(chuan) 播方向相反）的拉伸和連接。通過實驗觀察和嚴(yan) 格的自洽數值模擬，作者證明了這一機製有效地確保了縱向能量沉積的均勻化和橫向的亞(ya) 波長光束縛，從(cong) 而實現了在熔融石英中橫向精度達到10納米和縱橫比達到104的極端高縱橫比改性結構的形成。與(yu) 現有的基於(yu) 激光的納米級高縱橫比加工技術相比，這一指標提高了1到2個(ge) 數量級。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-024-01437-8

轉載請注明出處。