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藍寶石具有超強硬度、耐腐蝕、耐高溫、在紫外－紅外波段具有良好的透光性等優(yōu)點，在軍工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，這些特性也使得其很難進行機械加工和化學(xué)腐蝕加工。

近日，來自英國曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心的研究人員宣布，他們利用飛秒激光在藍寶石上制造了直徑為10納米的小孔，這一結(jié)果實現(xiàn)了飛秒激光在藍寶石晶體表面精細加工方面的新突破。

（圖片來源：英國曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心）

據(jù)悉，科學(xué)家們利用新開發(fā)的一種新方法進行實驗，演示了高純度縱向飛秒激光場（即與光軸平行）及其與拋光硅、銅和藍寶石的相互作用。在實驗中，他們首先用0．75 NA的非平面透鏡聚焦形成800nm飛秒激光的光束，以此確認縱向場的存在，然后用0．95 NA的透鏡進一步了解聚焦縱向場的特征及其對激光材料加工的影響。接著，他們還研究了偏振態(tài)、光束強度分布和波前消融剖面，并將結(jié)果與縱向場的理論模型進行了比較。

最終，他們在隔空的情況下，在拋光的藍寶石上演示了分辨率高達10nm的材料加工效果，這遠遠超過800nm波長的遠場衍射極限，也遠超之前發(fā)表的基于強非線性激光材料相互作用過程的結(jié)果。

為了驗證這些微小孔洞的截面特征，研究人員進行了聚焦離子束截面。結(jié)果顯示的孔直徑為30nm，深度超過500nm，且錐度為零。

該論文的合著者Olivier Allegre博士補充說：“在這項研究中觀察到的極小的特征尺寸、非常高的深寬比與平行孔壁可能表明，縱向場誘導(dǎo)的材料去除機制與橫向線性極化誘導(dǎo)的材料去除機制有根本不同。這種現(xiàn)象在單脈沖這種規(guī)模的激光材料加工中很少見。具有縱向場的激光束可以表現(xiàn)得有點像粒子加速器，使電子（帶負電荷）和離子（帶正電荷）比標準庫侖爆炸更有效地噴射出來。我們實驗中產(chǎn)生的非常深的空穴表明，空穴中存在電子加速和電荷極化以去除物質(zhì)的可能性。”

這項研究的意義在于展示了用紅外激光束處理超分辨率材料，并打破了遠場的光學(xué)衍射極限。以往的大多數(shù)方法要么是基于昂貴的極紫外（EUV）激光波長，在光學(xué)衍射極限內(nèi)工作；要么是使用近場光學(xué)，使工作距離太近而無法實際使用。該方法實現(xiàn)了激光加工的高縱橫比特征，指出了一種新的材料去除機制。

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飛秒激光加工藍寶石工藝再獲新進展！

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