在光學(xué)和微納加工領(lǐng)域，精確操縱激光以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的微型化需求，是推動(dòng)現(xiàn)代電子和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。近日，日本東北大學(xué)的研究人員成功演示了通過(guò)干涉技術(shù)增強(qiáng)徑向偏振光束的縱向電場(chǎng)，以提升激光燒蝕技術(shù)的精度，成功實(shí)現(xiàn)了小于100 nm直徑的精細(xì)特征加工。這項(xiàng)技術(shù)不僅在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，還可能革新醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微觀操作，同時(shí)為激光加工技術(shù)提供了一種實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的新方法。

圖1 研究人員通過(guò)塑造激光光束，使其發(fā)生全內(nèi)反射，將來(lái)自激光的徑向偏振光聚焦到玻璃片遠(yuǎn)側(cè)的非常小的點(diǎn)上，從而增強(qiáng)了其縱向電場(chǎng)

縮小激光焦點(diǎn)尺寸：實(shí)現(xiàn)細(xì)微尺寸特征加工

使用幾百飛秒（10-15 s）的激光脈沖，可以精細(xì)雕刻出微米級(jí)別的特征，而且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生熱量。但是，現(xiàn)代電子及生物醫(yī)療設(shè)備通常需要100 nm或更低的細(xì)微尺寸特征。滿(mǎn)足這些尺寸要求主要是通過(guò)縮小激光焦點(diǎn)的大小，然而，這一目標(biāo)通常受到激光的波長(zhǎng)和用于集束光線的透鏡數(shù)值孔徑制約。

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(chǎng)矢量全部指向其中心。這種光束可以通過(guò)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生縱向電場(chǎng)，從而提高分辨率，相較于傳統(tǒng)的線性或圓偏振光而言有所改進(jìn)。徑向偏振已經(jīng)在一種特定形式的顯微鏡技術(shù)中得到應(yīng)用，它也有潛力改善超快激光加工技術(shù)。

然而，在不同材料之間的界面處產(chǎn)生足夠強(qiáng)的縱向電場(chǎng)是一個(gè)主要挑戰(zhàn)?？v向電場(chǎng)的強(qiáng)度隨著所涉及兩種材料的折射率平方比例的變化而變化，因此，當(dāng)光線從空氣進(jìn)入玻璃等材質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度可能會(huì)嚴(yán)重減弱。

創(chuàng)新聚焦策略：徑向偏振光束和干涉增強(qiáng)

最近，日本東北大學(xué)的Yuichi Kozawa及其同事展示了如何通過(guò)將徑向偏振光束聚焦在透明材料內(nèi)側(cè)的遠(yuǎn)表面，而非較近的外側(cè)表面，來(lái)克服這一問(wèn)題。他們還通過(guò)利用入射波和反射波之間的干涉來(lái)增強(qiáng)縱向場(chǎng)的強(qiáng)度。

研究人員首先通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，研究了徑向偏振光束的縱向場(chǎng)強(qiáng)度及其光斑尺寸在通過(guò)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦時(shí)的變化情況。他們發(fā)現(xiàn)，在空氣中，強(qiáng)度在焦點(diǎn)處達(dá)到最高，形成一個(gè)緊湊的圓形斑點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，如果光束聚焦于玻璃塊表面，折射率的差異會(huì)降低強(qiáng)度，形成一個(gè)環(huán)形斑點(diǎn)。

然而，Yuichi Kozawa及其團(tuán)隊(duì)展示了他們能通過(guò)將光聚焦至玻璃的遠(yuǎn)側(cè)，并把透鏡放入油中來(lái)恢復(fù)較小的光斑尺寸。由于油的折射率與玻璃相同，去除了上層界面的影響，消除了其邊界條件并重新獲得了縱向場(chǎng)的強(qiáng)度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些模擬結(jié)果，他們使用約300 fs、波長(zhǎng)為1040 nm的激光脈沖，通過(guò)一個(gè)分段的半波片后，將其聚焦在硼硅酸鹽玻璃板的前面或后面。采用三種不同的透鏡和方位光，他們發(fā)現(xiàn)只有在使用徑向偏振光束并且用數(shù)值孔徑為1.4的透鏡將脈沖聚焦至玻璃板的背面時(shí)，才能生成直徑約為200 nm的圓形燒蝕坑，而不是環(huán)形坑。

圖2 通過(guò)單次激光照射玻璃背面，使用環(huán)形的徑向偏振光束制造出一個(gè)大小約為波長(zhǎng)1/16的燒蝕坑

增強(qiáng)縱向場(chǎng)強(qiáng)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(guò)最大化入射波和從玻璃背面反射的波之間的干涉來(lái)增強(qiáng)縱向場(chǎng)強(qiáng)度。正如他們?cè)谡撐闹薪忉尩哪菢?，?dāng)所有光線反射而非折射時(shí)，即當(dāng)光束以玻璃和空氣的臨界角入射時(shí)，這一現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。因此，他們推理，通過(guò)將光束輪廓塑造成一個(gè)狹窄的環(huán)形來(lái)限制入射波的角度，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他們證實(shí)了這個(gè)想法。在實(shí)驗(yàn)中，他們利用空間光調(diào)制器傳遞激光脈沖，以產(chǎn)生具有不同參數(shù)的環(huán)狀圖案，隨后對(duì)這些脈沖施加徑向偏振，并將其聚焦至玻璃板的遠(yuǎn)端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)形參數(shù)可以在一系列數(shù)值內(nèi)變化，仍能生成光斑形狀的燒蝕坑。但實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，只有當(dāng)這些參數(shù)接近于實(shí)現(xiàn)臨界角所需的數(shù)值時(shí)，才能得到最小的光斑，該光斑寬度僅為67 nm，約為激光光波長(zhǎng)的1/16。

Yuichi Kozawa及其同事認(rèn)為，這些結(jié)果證明了通過(guò)操縱徑向偏振激光束的縱向電場(chǎng)，可以控制燒蝕特征的大小。因此，他們表示，這項(xiàng)工作有望提高激光加工的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工工藝。

研究人員解釋說(shuō)，這種利用全內(nèi)反射的想法可以應(yīng)用于許多現(xiàn)有的技術(shù)，這些技術(shù)涉及將激光束聚焦在透明材料的遠(yuǎn)表面。他們補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)改變激光波長(zhǎng)，其他材料也可以應(yīng)用這種方法，例如，可以使用1100 nm或更長(zhǎng)的激光加工硅。

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

科學(xué)編輯 | 佚名