本文第一作者為英國曼徹斯特大學(xué)李趙青博士，現(xiàn)就職于華日激光。通訊作者為李琳院士與Olivier Allegre博士。

導(dǎo)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(tuán)隊在縱波場材料加工領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。項目負(fù)責(zé)人李趙青博士利用S波片及空間光調(diào)制器對飛秒激光的偏振、波前、以及振幅依次進(jìn)行調(diào)制（圖1），成功生成了高達(dá)94.7%的高純度激光縱波場，通過聚焦800納米紅外波長飛秒激光，在藍(lán)寶石上實現(xiàn)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粒子加速特性的激光材料燒蝕理論。

創(chuàng)新研究

研究團(tuán)隊利用空間光調(diào)制器，對準(zhǔn)直高斯光進(jìn)行了振幅調(diào)制。先將準(zhǔn)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(qū)域的能量，首次生成了極細(xì)的高均勻度環(huán)形光（圖2）。

徑向偏振的環(huán)形光經(jīng)過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后，生成縱波場的示意圖如圖3所示。為了產(chǎn)生高質(zhì)量的縱波場，研究團(tuán)隊使用數(shù)值孔徑為0.95的物鏡進(jìn)行聚焦。利用空間光調(diào)制器對物鏡聚焦過程中伴隨的球差進(jìn)行了精準(zhǔn)校正，確保環(huán)形光被聚焦于唯一平面內(nèi)。

將具有線偏振或角向偏振的超快激光聚焦于藍(lán)寶石表面，會產(chǎn)生平緩的凹坑。而具有徑向偏振的激光聚焦產(chǎn)生的縱波場則實現(xiàn)了10納米的加工尺寸，突破了相對于激光波長1/80的超衍射極限加工能力（圖4）。經(jīng)分析，附著在基體表面加工區(qū)域周圍的物質(zhì)，是由材料內(nèi)部融化溢出后的沉積，并非熱影響區(qū)。

通過聚焦離子束顯微鏡（FIB-SEM）對結(jié)果進(jìn)行切割分析，可以看到縱波場加工產(chǎn)生了極高的深寬比（大于16:1）（圖5）。這一結(jié)果進(jìn)一步證明了縱波場技術(shù)具有高精度激光直寫的巨大潛力。

普通激光加工產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)庫倫爆炸將能量傳遞給電子系統(tǒng)，實現(xiàn)去除材料的目的。而具有縱波場的激光光束，其電場方向與激光傳播方向一致，可表現(xiàn)粒子加速的特性，使得帶負(fù)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程相比標(biāo)準(zhǔn)庫倫爆炸更加高效，且具有突破衍射極限的分辨率（圖6）。高純度的縱波場材料加工過程揭示了不同于傳統(tǒng)的激光燒蝕機(jī)制，同時打破了激光聚焦與材料去除的局限，進(jìn)而實現(xiàn)了超高分辨率和超高深寬比的加工。研究表明，縱波場不僅可被應(yīng)用于透明材料，其特性也被體現(xiàn)在金屬和半導(dǎo)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(xiàn)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,