吉林大学电子科学与工程学院超快光电技术团队在固体超分辨激光加工领域取得重要进展

日前，吉林大学电子科学与工程学院超快光电技术研究团队在固体超分辨激光加工领域取得重要进展，该研究成果以“Super-stealth dicing of transparent solids with nanometric precision”为题在线发表于《自然·光子学》。

经过数十年的发展，基于激光的精密切割、钻孔和表面结构化已经成为现代工业中不可或缺的关键技术，并在微电子、光学和医学等领域发挥着日益重要的作用。然而，目前针对介质或半导体的最先进的激光切割技术仍然受限于近微米级的空间分辨率和102量级的深宽比。这种限制并非技术上的，而是源自于光的波动性引起的傅立叶带宽定理（等价于量子物理的海森堡不确定性原理）。简而言之，当试图通过将激光聚焦得更紧来获得更高的横向分辨率时，光束的发散角度会变大，从而阻碍切割切口的纵向深度和均匀性。目前主流的解决方案，包括广泛使用的纵向多焦点阵列、贝塞尔-高斯光束（近似无衍射光）和由克尔效应引起的非线性激光成丝，仍然局限于衍射光学范畴内对光场的拉伸和压缩，故不可能突破上述物理基本原理的限制。同时，超快激光的非线性阈值效应虽然能有效地提升激光加工的横向精度，但由于阈值效应会同时缩短激光加工的纵向深度，其并不能有效提升结构的深宽比。由于上述原因，尽管传统的空间光场调制方法已经在微米或亚微米尺度上取得了令人印象深刻的高深宽比激光加工成就，但一旦横向加工分辨率达到百纳米级别或更低，所制造的结构的深宽比会迅速降至约102量级甚至更低。

针对这一困难，研究团队提出了一种创新思路：利用瞬态的、非线性的激光-材料相互作用，以克服上述物理原理对纳米级激光高纵横比加工的限制。具体来说，他们利用激光诱导的初始损伤区域作为一个“种子结构”，来引发所谓的“背散射干涉攀爬”效应，引导高纵横比纳米结构的形成和演化。一方面，在远场区域，种子结构可以产生反向散射波，与入射光场相干干涉，沿光轴引起能量分布的周期调制，从而促进光强度极大值处的新种子结构的生成；与此同时，在近场区域，由于种子结构的纳米级特征尺寸，光学近场可以在不连续边界处被激发，促进纳米结构沿纵向（与激光传播方向相反）的拉伸和连接。通过实验观察和严格的自洽数值模拟，作者证明了这一机制有效地确保了纵向能量沉积的均匀化和横向的亚波长光束缚，从而实现了在熔融石英中横向精度达到10纳米和纵横比达到104的极端高纵横比改性结构的形成。与现有的基于激光的纳米级高纵横比加工技术相比，这一指标提高了1到2个数量级。

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

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