提出自適應光束整形技術突破微槽精密控形加工瓶頸

複雜截麵微槽在航空航天、生物醫療等領域具有重要應用，但其精密加工（尤其針對難加工材料）仍麵臨(lin) 巨大挑戰。雖然圖案化激光燒蝕技術可實現多材料微溝槽製備，但離焦平麵衍射導致的能量分布變化及材料對偏振態激光的吸收差異，使得微槽輪廓與(yu) 光斑形狀的關(guan) 聯性難以精確控製，製約了特定截麵結構的可控製備。

研究團隊提出一種自適應光束整形方法（如圖1.1所示），通過建立結合“光束傳(chuan) 輸衍射”與(yu) “偏振相關(guan) 能量吸收率”的激光燒蝕輪廓演化模型，精準預測微槽形貌並用於(yu) 指導光斑形狀迭代優(you) 化。在仿真模型中，根據仿真輪廓與(yu) 目標輪廓的差異動態調整光束形狀，經動態微調後的光斑，可在加工寬度為(wei) 10μm的微槽時，保證其輪廓均方根誤差低至0.5μm（如圖1.2所示）。自適應光束整形結合激光直寫(xie) 技術，成功實現了三角形、梯形及函數化曲麵微結構的高精度加工（如圖1.2所示）。該技術為(wei) 難加工材料的微槽加工提供了新策略，同時為(wei) 高精度微結構在工業(ye) 領域的應用開辟了創新路徑。

相關(guan) 成果以“Adaptive beam-shaping enabled high-precision patterned laser micro-grooving”為(wei) 題，發表於(yu)  International Journal of Extreme Manufacturing。南方科技大學機械與(yu) 能源工程係畢業(ye) 生邱佩博士和2021級博士生李峻為(wei) 文章共同第一作者，徐少林為(wei) 通訊作者，南方科技大學為(wei) 論文第一單位。

圖1.1. 基於(yu) 精確演化模型的自適應光束整形技術流程圖

圖1.2. 控形能力驗證和不同橫截麵輪廓的偏差分析（a）三角形；（b）梯形；（c）半圓形；（d）U 形

創新性設計全玻璃納米孔超構透鏡顯著提升光波調製性能

超構透鏡是一種由亞(ya) 波長結構單元組成的平麵光學器件，能通過精確調控光波的相位、振幅及偏振特性，實現對光場的高效操控。與(yu) 傳(chuan) 統光學透鏡相比，超構透鏡具有輕薄化、緊湊化及多功能集成等顯著優(you) 勢，在成像、顯示、傳(chuan) 感等領域展現出巨大應用潛力。然而，傳(chuan) 統納米柱超構透鏡因受限於(yu) 結構單元的縱橫比與(yu) 占空比約束，常麵臨(lin) 相位延遲不足的瓶頸問題，嚴(yan) 重製約其性能提升與(yu) 功能拓展。

針對這一挑戰，研究團隊提出全玻璃納米孔超構透鏡設計，通過采用亞(ya) 波長周期、深度可調且占空比固定的高深徑比納米孔作為(wei) 相位調製單元，成功實現線性2π相位延遲，顯著提升光波調製性能。在此基礎上，團隊開發了非衍射貝塞爾光束光刻技術（圖2.1），利用凹錐透鏡相位圖調製的貝塞爾光束特性，確保納米孔沿深度方向的直徑一致性。結合熱退火與(yu) 化學刻蝕後處理工藝，最終製備出周期低至800nm、深度超10μm且形貌可控的無損納米孔陣列。該技術在1.55μm通信波長下的調製效率達97%，並成功製備了直徑2cm的大麵積超構透鏡及軸棱鏡、渦旋波片、閃耀光柵等多類光學器件（圖2.2）。這一突破不僅(jin) 攻克了傳(chuan) 統超構透鏡的相位延遲限製，更通過超快激光加工技術實現了高精度、高效率的微納製造，為(wei) 低成本定製化超構透鏡的產(chan) 業(ye) 化應用提供了全新解決(jue) 方案。

相關(guan) 成果以“All-glass Nanohole metalens by Non-diffracting Laser Lithography”為(wei) 題，發表於(yu) Laser & Photonics Reviews。南方科技大學機械與(yu) 能源工程係博士後徐康和碩士鄭滿冬為(wei) 共同第一作者，徐少林為(wei) 通訊作者，南方科技大學為(wei) 論文第一單位。

圖2.1. 全玻璃納米孔超構透鏡超快激光加工示意圖（a）無衍射貝塞爾激光加工方法示意圖；（b）加工的納米孔斷麵表征；（c）大麵積超構透鏡照片及成像效果

圖2.2. 多樣化超構透鏡（a-c）閃耀光柵；（d-g）超大底角（17°）錐透鏡；（h,i）八階渦旋波片

設計高激光誘導損傷(shang) 閾值增透光學元件，取得超快激光複合製造技術突破

增透光學元器件在現代光學應用尤其是激光加工係統中承擔著關(guan) 鍵作用，而在麵對高功率激光的應用場景時，常見的鍍膜增透的方式麵臨(lin) 挑戰，這限製了增透技術的應用與(yu) 推廣。如何提高增透技術的激光誘導損傷(shang) 閾值以滿足高功率激光的應用需求值得進一步研究。

針對這一需求，研究團隊提出一種超快激光加工技術和原位去濕輔助等離子體(ti) 刻蝕方法（如圖3.1所示），通過在熔融石英玻璃光學元件表麵鍍一層鉑（Pt）金屬薄膜，在高能等離子體(ti) 的持續輻照和轟擊下，由於(yu) 瑞利不穩定性，金屬薄膜會(hui) 逐漸演化形成均勻分布的納米金屬顆粒，充當納米掩模的作用，在基底材料上刻蝕形成均勻分布的錐形納米結構，結合超快激光加工技術，在石英玻璃材料表麵實現了光學微結構複合納米錐陣列減反射結構的高效製備。納米錐的形成得益於(yu) 金屬薄膜在高能等離子體(ti) 輻照下由馬蘭(lan) 戈尼效應驅動的去濕行為(wei) 所形成的納米顆粒掩模，具有強耐刻蝕性以及去濕形成均勻納米顆粒的Pt可以實現高深徑比、高密度的納米錐陣列的製備。通過控製金屬薄膜厚度或者結合鈍化二次刻蝕過程，可以靈活製備直徑62-136nm、高度126-942nm可調的納米錐陣列結構。該方法製備的增透微光學元件在0.3-2.5μm波段上平均透過率達到98%，聚焦效率提高至原來的1.1倍，並保持了原熔融石英玻璃材料79.4%的激光誘導損傷(shang) 閾值（如圖3.2所示），實現了高激光誘導損傷(shang) 閾值的增透微光學元件。

相關(guan) 成果以“In Situ Dewetting Assisted Plasma Etching of Large-Scale Uniform Nanocones on Arbitrarily Structured Glass Elements”為(wei) 題，發表於(yu)  Advanced Functional Materials。南方科技大學機械與(yu) 能源工程係畢業(ye) 生胡勁博士為(wei) 論文第一作者，徐少林為(wei) 通訊作者，南方科技大學為(wei) 論文第一單位。

圖3.1. 原位去濕輔助等離子體(ti) 刻蝕方法示意圖及其結構演變過程

圖3.2. 高激光誘導損傷(shang) 閾值光學元件的透過率與(yu) 損傷(shang) 閾值表征

提出超快激光跨尺度圖案化光刻新方法，助力MIM超構器件製備

金屬-絕緣體(ti) -金屬（MIM）結構超構器件因其多層膜結構具備低損耗、高調製效率、工藝兼容性好等優(you) 點，在光束整形、全息成像、紅外完美吸收等先進光學應用中展現出巨大潛力。然而，傳(chuan) 統製造方法難以在保證分辨率的同時實現大麵積表麵結構的高效一致加工，製約了MIM器件的規模化應用。

針對這一難題，研究團隊提出“跨尺度圖案化脈衝(chong) 激光光刻（PPLL）”新方法，通過空間光調製器（SLM）對超快激光光源進行二元圖案化整形，實現單次曝光即可加工複雜自由曲麵圖案，大幅提升加工效率（圖4.1）。通過改進光路係統（8f係統）與(yu) 反高斯灰度數字掩模優(you) 化能量分布，研究人員實現了超過100*100μm²的單次曝光麵積和近衍射極限（300nm）的空間分辨率，兼顧了加工高精度和大麵積加工一致性。在結構設計方麵，研究團隊構建了由20nm的相變材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）薄膜層、Al₂O₃絕緣層、金屬反射層組成的MIM結構。仿真與(yu) 實驗結果表明，該結構可實現接近半波相位延遲，有效突破了單層膜相位調製能力不足的瓶頸，顯著提升了光場調控能力。

圖4.1 跨尺度圖案化脈衝(chong) 激光光刻方法示意圖 （a）空間光調製器實現強度調控的光路結構；（b）一次曝光加工4單元Dammann光柵圖案的原理示意；（c）單層結構光柵的顯微圖像及其衍射效果；（d）MIM結構光柵的顯微圖像及其光束分束效果

基於(yu) 該方法，研究團隊成功製備出具有高均勻性和高衍射效率的Dammann光柵，以及清晰重構圖像的MIM全息器件（如圖4.2所示）。該方法可在數分鍾內(nei) 完成厘米級器件的高精度加工，展現出極高的製造效率與(yu) 光學調控能力。

圖4.2 MIM全息超構器件的設計與(yu) 表征 （a-d）任意計算全息圖（CGH）相位圖的設計；（e）二值CGH圖的二維傅裏葉變換結果；（f,g）光學顯微鏡下的器件形貌；（h）掃描電鏡下的結構細節；（i）520 nm激光重構出的全息圖像。激光加工能量密度為(wei) 0.04 J/cm²

該成果為(wei) 超快激光在超構器件領域的規模化製備提供了新思路，為(wei) 低損耗、高性能的平麵光學元件開辟了超快激光製備的新路徑。相關(guan) 成果以“Cross-Scale Patterned Pulse Laser Lithography for MIM meta-Devices Processing”為(wei) 題發表於(yu)  Advanced Materials Technologies。南方科技大學機械與(yu) 能源工程係博士生黃淩羽為(wei) 論文第一作者，徐少林為(wei) 通訊作者，南方科技大學為(wei) 論文第一單位。

原子尺度結構演變揭示超快激光加工金剛石的相變機製

單晶金剛石作為(wei) 超寬帶隙半導體(ti) 材料，在電子器件與(yu) 量子技術領域具有重要應用價(jia) 值。超快激光加工技術雖為(wei) 金剛石微納製造提供了獨特優(you) 勢，但其瞬態能量沉積誘導的原子級結構演化機製尚未明晰，阻礙了該技術的進一步發展。

研究團隊發現，當飛秒激光脈衝(chong) 連續作用於(yu) 金剛石表麵時，超快力-熱耦合效應會(hui) 引發周期性結構演變：早期脈衝(chong) 導致的不可逆相變將改變材料狀態，進而影響後續脈衝(chong) 與(yu) 材料的相互作用，最終形成表麵及亞(ya) 表麵的多層級納米結構。通過係統分析飛秒激光加工中的超快動力學過程、電場分布特性及燒蝕機製，團隊首次提出納米複合碳結構的順序相變機製（圖5.1），推翻了傳(chuan) 統“石墨化”理論對相變過程的單一解釋。該研究從(cong) 原子尺度揭示了金剛石在超快激光作用下的動態響應規律，為(wei) 其超精密加工及功能碳材料的可控合成提供了理論支撐。

相關(guan) 成果以“Atomic-level insight into sequential evolution of nanocomposite carbon structures in femtosecond laser processing of diamond”為(wei) 題，發表於(yu)  International Journal of Machine Tools and Manufacture。南方科技大學機械與(yu) 能源工程係畢業(ye) 生韓慧莉博士為(wei) 論文第一作者，徐少林和機械與(yu) 能源工程係講席教授張璧為(wei) 共同通訊作者，南方科技大學為(wei) 論文第一單位。

圖5.1.飛秒激光加工單晶金剛石的相變機製示意圖

係統性解析超分辨激光加工技術路徑與(yu) 突破方向

超分辨激光加工技術通過突破光學衍射極限，為(wei) 半導體(ti) 、生物醫學等領域的精密微納製造開辟了新路徑。然而，傳(chuan) 統激光技術長期受限於(yu) 分辨率與(yu) 效率的矛盾：高精度加工需犧牲產(chan) 能，而大規模生產(chan) 則難以兼顧精度，嚴(yan) 重製約其工業(ye) 化應用。

本綜述係統梳理了兩(liang) 類核心超分辨方法(圖6.1和圖6.2)：“縮小衍射極限”（通過縮小激光波長、優(you) 化聚焦係統壓縮光斑尺寸）與(yu) “繞過衍射極限”（利用非線性效應、近場增強等物理機製突破傳(chuan) 統光學限製）。同時，通過激光參數選擇、加工策略優(you) 化和時空調製等方式以調控材料-光場相互作用，以及對新型高速光學加工係統開發，可有效平衡分辨率與(yu) 效率矛盾。該綜述進一步展望了跨學科融合下超分辨激光加工技術在進一步發展中可能的前進方向及其產(chan) 業(ye) 化潛力，為(wei) 下一代精密製造技術革新提供了重要理論框架。

圖6.1. 如何實現超分辨激光加工

圖6.2.實現超分辨激光加工的兩(liang) 類途徑

該綜述以“Super-resolution laser machining”為(wei) 題發表於(yu) International Journal of Machine Tools and Manufacture。南方科技大學機械與(yu) 能源工程係畢業(ye) 生黃佳旭博士為(wei) 第一作者，徐康博士參與(yu) 撰寫(xie) ，徐少林為(wei) 通訊作者，南方科技大學為(wei) 論文第一單位。