【供稿：電子科學與工程】日前，吉林大學電子科學與工程學院超快光電技術(shù)研究團隊在固體超分辨激光加工領(lǐng)域取得重要進展，該研究成果以“super-stealth dicingof transparent solids with nanometric precision”為題在線發(fā)表于《自然·光子學》（nature photonics(2024), doi.org/10.1038/s41566-024-01437-8）。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，基于激光的精密切割、鉆孔和表面結(jié)構(gòu)化已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，并在微電子、光學和醫(yī)學等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。然而，目前針對介質(zhì)或半導體的最先進的激光切割技術(shù)仍然受限于近微米級的空間分辨率和102量級的深寬比。這種限制并非技術(shù)上的，而是源自于光的波動性引起的傅立葉帶寬定理（等價于量子物理的海森堡不確定性原理）。簡而言之，當試圖通過將激光聚焦得更緊來獲得更高的橫向分辨率時，光束的發(fā)散角度會變大，從而阻礙切割切口的縱向深度和均勻性。目前主流的解決方案，包括廣泛使用的縱向多焦點陣列、貝塞爾-高斯光束（近似無衍射光）和由克爾效應引起的非線性激光成絲，仍然局限于衍射光學范疇內(nèi)對光場的拉伸和壓縮，故不可能突破上述物理基本原理的限制。同時，超快激光的非線性閾值效應雖然能有效地提升激光加工的橫向精度，但由于閾值效應會同時縮短激光加工的縱向深度，其并不能有效提升結(jié)構(gòu)的深寬比。由于上述原因，盡管傳統(tǒng)的空間光場調(diào)制方法已經(jīng)在微米或亞微米尺度上取得了令人印象深刻的高深寬比激光加工成就，但一旦橫向加工分辨率達到百納米級別或更低，所制造的結(jié)構(gòu)的深寬比會迅速降至約102量級甚至更低。

針對這一困難，研究團隊提出了一種創(chuàng)新思路：利用瞬態(tài)的、非線性的激光-材料相互作用，以克服上述物理原理對納米級激光高縱橫比加工的限制。具體來說，他們利用激光誘導的初始損傷區(qū)域作為一個“種子結(jié)構(gòu)”，來引發(fā)所謂的“背散射干涉攀爬”效應，引導高縱橫比納米結(jié)構(gòu)的形成和演化。一方面，在遠場區(qū)域，種子結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生反向散射波，與入射光場相干干涉，沿光軸引起能量分布的周期調(diào)制，從而促進光強度極大值處的新種子結(jié)構(gòu)的生成；與此同時，在近場區(qū)域，由于種子結(jié)構(gòu)的納米級特征尺寸，光學近場可以在不連續(xù)邊界處被激發(fā)，促進納米結(jié)構(gòu)沿縱向（與激光傳播方向相反）的拉伸和連接。通過實驗觀察和嚴格的自洽數(shù)值模擬，作者證明了這一機制有效地確保了縱向能量沉積的均勻化和橫向的亞波長光束縛，從而實現(xiàn)了在熔融石英中橫向精度達到10納米和縱橫比達到104的極端高縱橫比改性結(jié)構(gòu)的形成。與現(xiàn)有的基于激光的納米級高縱橫比加工技術(shù)相比，這一指標提高了1到2個數(shù)量級。

上述研究成果的第一完成單位為吉林大學，第一作者分別為吉林大學電子科學與工程學院李臻賾博士（現(xiàn)為清華大學精密儀器系博士后、水木學者）、清華大學博士后樊華博士和吉林大學電子科學與工程學院王磊副教授。論文通訊作者為吉林大學電子科學與工程學院王磊副教授、陳岐岱教授，斯威本科技大學的saulius juodkazis教授以及清華大學精密儀器系的孫洪波教授。此外，吉林大學電子科學與工程學院的于顏豪高級工程師、胥亦實博士、張栩碩士研究生、趙新景博士研究生以及清華大學精密儀器系王熠博士研究生、王曉杰博士研究生亦對本研究做出了重要貢獻。這項研究得到了國家杰出青年基金、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金國際合作等項目的資助。

達到10納米和縱橫比達到104的極端高縱橫比改性結(jié)構(gòu)的形成。與現(xiàn)有的基于激光的納米級高縱橫比加工技術(shù)相比，這一指標提高了1到2個數(shù)量級。