清华孙洪波团队&吉大陈岐岱团队：超快激光超隐形切割

飞秒激光直写技术是一种具备三维加工能力的制造技术，被广泛应用于工业生产和科学研究等领域。然而，由于傅里叶带宽定理（等价于量子物理中的海森堡不确定性原理）对激光焦点横向尺寸和深宽比的制约，如何实现纳米级精度的高深宽比、高自由度激光深切割和钻孔一直是研究者关注的重点和国际研究前沿。

近日，针对这一难题，清华大学精密仪器系孙洪波教授和吉林大学陈岐岱教授联合团队在飞秒激光纳米级高深宽比结构制造上取得了重要进展：研究团队提出了一种超隐形切割技术，利用激光-物质相互作用过程中的非线性反馈促进横向亚波长光场局域化和纵向能量沉积均匀化，在包括玻璃、半导体、激光晶体、铁电体等多种透明材料中实现了横向精度10nm，深宽比达104的纳米深加工，比现有最好结果提升1至2个数量级，可应用于纳米光学制造、半导体三维封装等领域。与传统隐形切割等激光加工技术相比，其加工精度来源于激光初始纳米损伤的“种子效应”，因此可从原理上摆脱高深宽比结构对激光焦点压缩和拉伸的强依赖。该研究成果以“Super-stealth dicing of transparent solids with nanometric precision”为题，于2024年5月8日在线发表在光学领域顶尖期刊 Nature Photonics上。

小百科1：什么是高深宽比结构？其应用有哪些？

结构的深宽比（亦称深径比）被定义为结构纵向深度和其横向特征尺寸的比值。直观地说，地质钻探打一口直径为d深度为z的井，其深宽比则为z/d。高深宽比结构在光学、生物、以及电子器件领域都有重要的应用。例如，在光学领域，高深宽比的光栅可以用于制备红外波段的偏振片，或是用于增加结构-光的耦合，从而提升材料的吸光性能，用于黑体或光伏应用。在电子器件领域，纳米级的高深宽比硅通孔或玻璃通孔可以应用于三维集成电路的封装，是在后摩尔时代进一步实现芯片性能弯道超车的重要途经。

小百科2：为什么高深宽比结构难以制造？

制备高深宽比结构一直是微加工领域的重大挑战，目前主要有半导体工艺、纳米压印或激光加工等方法。半导体工艺基于掩膜和刻蚀（如Bosch工艺），随着结构深宽比掩膜作用逐渐减弱，从而限制了其结构深宽比和质量；类似地，对于纳米压印技术来说，高深宽比的结构会难以脱模的问题。而对于激光加工路线实现的钻孔和切割来说，由于光的波动特性导致的傅里叶带宽定理，激光焦点的横向宽度和纵向深度总保持一定深宽比，即在提升焦点横向宽度的同时会伴随着纵向深度的缩短，这也导致了激光加工难以实现稳定可控的纳米级高深宽比切割和钻孔。

傅里叶带宽定理对激光纳米级深加工的限制

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，图1）。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。

图1 傅里叶带宽定理和海森堡不确定性原理的等价性，及对激光焦点宽度和深度的相互制约。

超隐形切割技术的非线性反馈物理机制

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深宽比加工的限制。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，引导高深宽比纳米结构的形成和演化（图2）。

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，研究团队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，从而实现了亚10纳米的横向精度和104的深宽比。与现有的基于激光的纳米级高深宽比加工技术相比，这一指标提高了1到2个数量级（图3，图4b）。

图2 背散射干涉攀爬的物理机制及实验验证。

不同于通常的由高折射率区域的光场约束机制，研究团队发现此处用于触发亚波长光场束缚的是纳米级的低介电函数区域，其解由广义径向薛定谔方程在奇异点附近的行为给出。从电位移连续性方程可以证明，场增强（以及坡印廷矢量）总可以被充分大的介电函数梯度所诱导。因此，这种光场亚波长束缚具有鲁棒性，对具体的材料性质不敏感，这进一步保证了该技术的普适性。研究团队发现，该效应可以被视为纳米光学中槽波导或米氏孔洞所引起的共振能量局域化的类比。

基于超隐形切割的纳米级深切割和钻孔

此外，材料体内的纳米级种子还可以在横向上触发近场增强，并在偏振平面内引导高深宽比纳米结构的连续自由写入。这一横向近场增强的特征可以被看作是研究团队于2020年在Light: Science & Applications上发表提出的光学远场诱导近场击穿技术（O-FIB，Optical far-field-induced near-field breakdown）的三维推广。

通过与湿法化学刻蚀或应力负载结合，可以实现多种透明材料的纳米切割（玻璃、介质、铁电体以及半导体，图3，图4a-f），其横向优于50纳米，深宽比超过2,000，纳米光栅的切割间距可低至150纳米。利用该技术还可以实现对超薄玻璃、蓝宝石等硬脆材料的异形钻孔和切割，在40×20μm2的测量范围内，其侧壁粗糙度Ra小于10纳米（图5）。

受工业中著名隐形切割概念的启发，作者将这项技术命名为超隐形切割（Super-stealth dicing,SSD）。该技术不仅具有传统隐形切割的部分优势特性（无碎屑和低损伤，可在应力作用下分割材料），而且还可以实现纳米尺度下高深宽比结构的自由写入，具有极高的横向加工精度和深宽比。

图3 研究团队制备的高质量熔融石英高深宽比纳米光栅。

图4 超隐形切割技术对多种透明固体的广泛适用性以及制备的纳米线、波片。

技术应用及展望

在新提出的制备方法的帮助下，研究团队进一步展示了石英玻璃异形孔、蓝宝石超薄波片和晶体微棱镜的制造（图4g-l，图5），为未来的三维电路封装、自由空间集成光学和量子感知等应用提供了独特的加工策略。这项工作代表了迄今为止最先进的激光纳米深切割能力，同时为激光加工技术提供了一个新的视角：在极端纳米尺度上，激光-材料相互作用及其带来的非线性反馈（无论是在近场还是远场）将成为提高激光加工精度和质量的关键，而这也将为激光加工技术未来的进一步发展提供了新的方向。

图5 基于超隐形切割的薄玻璃异形钻孔和晶体微棱镜切割。

该论文的三位共同第一作者分别为清华大学精密仪器系博士后李臻赜博士（原吉林大学电子科学与工程学院博士生）、清华大学博士后樊华博士和吉林大学电子科学与工程学院王磊副教授。论文通讯作者为吉林大学电子科学与工程学院的王磊副教授、陈岐岱教授、斯威本科技大学的Saulius Juodkazis教授以及清华大学精密仪器系的孙洪波教授。此外，吉林大学电子科学与工程学院的于颜豪博士、胥亦实博士、研究生张栩、博士生赵新景以及清华大学精密仪器系博士生王熠、王晓杰亦对本研究做出了重要贡献。这项研究得到了国家杰出青年基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金国际合作项目的资助。

研究团队

通讯作者孙洪波：清华大学精密仪器系长聘教授、博士生导师、清华大学精密仪器系学术委员会主席。国家杰出青年科学基金获得者（2005）、教育部长江学者特聘教授（2005），国家科技创新领军人才，全国优秀博士论文指导教师。

孙洪波教授是超精细激光加工领域世界知名的科学家之一，长期专注超快激光超精细特种制造领域的研究，包括超快激光与物质相互作用机理，制备微光学、微电子、微机械、微流控、微光电、传感、生物和仿生结构与器件；开拓超快光谱研究方法，探索前沿光电和电光转换动力学，系列工作为我国紧迫需求提供关键技术与解决方案。围绕上述研究内容在Nature、Science、Nature Physics、Nature Photonics等高水平学术杂志发表SCI论文500余篇，被SCI论文引用40000余次，H因子102；研究结果被Nature、Science和Laser Focus World 等杂志专题介绍100余篇次，150余次国际会议邀请报告，荣获2020年国家自然科学奖二等奖（排名一）、2023年度全国创新争先奖。目前任中国光学学会微纳光学专业委员会主任、中国感光学会激光微纳成形专业委员会主任、原国务院学位委员会学科评议组成员、自然科学基金重大项目负责人。

通讯作者陈岐岱：吉林大学唐敖庆特聘教授，博士生导师，集成光电子学国家重点实验室吉林大学实验区主任，《中国激光》副主编；获国家自然科学基金杰出青年基金，教育部新世纪优秀人才。

陈岐岱教授主要工作从事光电子技术研究，聚焦激光精密加工和纳米制造关键技术，为超快激光加工器件功能化、效率和精度提升做出了创新贡献，形成了具有自主知识产权的超快激光微纳加工技术和装备体系，满足了基础研究和国防高技术领域若干紧迫需求。围绕上述工作，在Nature Photonics、Nature Physics、Nature Communications及Light: Science & Application等领域一流杂志发表论文230余篇，论文被SCI论文他引13000余次，H-index 65; 获国家自然科学二等奖、吉林省和教育部自然科学一等奖各一次。主持完成国家重点研发项目和国家自然科学基金重点项目。

通讯作者王磊：吉林大学唐敖庆青年学者，副教授，博士生导师。主要从事超快激光超分辨加工机制及应用的研究，实现了取向硅钢、永久光存储、亚波长增透窗等颠覆性技术创新。围绕上述工作，以第一作者或通讯作者在Nature Photonics, Light: Science & Applications, Optica, Laser & Photonics Reviews等学术期刊发表论文20余篇，主持自然科学基金委面上、青年等多项项目，现任Chinese Optics Letters编委。

第一作者李臻赜：2023年博士毕业于吉林大学集成光电子国家重点实验室物理电子学专业，现为清华大学水木学者，精密仪器系在站博士后。研究方向为超快激光-物质相互作用及其在极端纳米加工领域中的应用。以第一、共一或主要作者身份在Nature Photon., Light: Sci. & Appl., Appl. Phys. Rev., InfoMat等应用物理学领域顶尖期刊上发表文章，相关成果连续入选2020-2023年的ESI高被引论文。曾担任Adv. Funct. Mater., Opt. Lett., Appl. Phys. A, Opt. Eng.等期刊的国际审稿人。