【供稿：電子科學(xué)與工程】日前，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院超快光電技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在固體超分辨激光加工領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(xué)》（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(xué)和醫(yī)學(xué)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(dǎo)體的最先進(jìn)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(dòng)性引起的傅立葉帶寬定理（等價(jià)于量子物理的海森堡不確定性原理）。簡而言之，當(dāng)試圖通過將激光聚焦得更緊來獲得更高的橫向分辨率時(shí)，光束的發(fā)散角度會(huì)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(diǎn)陣列、貝塞爾-高斯光束（近似無衍射光）和由克爾效應(yīng)引起的非線性激光成絲，仍然局限于衍射光學(xué)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(shí)，超快激光的非線性閾值效應(yīng)雖然能有效地提升激光加工的橫向精度，但由于閾值效應(yīng)會(huì)同時(shí)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(dá)到百納米級別或更低，所制造的結(jié)構(gòu)的深寬比會(huì)迅速降至約102量級甚至更低。

針對這一困難，研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)的初始損傷區(qū)域作為一個(gè)“種子結(jié)構(gòu)”，來引發(fā)所謂的“背散射干涉攀爬”效應(yīng)，引導(dǎo)高縱橫比納米結(jié)構(gòu)的形成和演化。一方面，在遠(yuǎn)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(jìn)光強(qiáng)度極大值處的新種子結(jié)構(gòu)的生成；與此同時(shí)，在近場區(qū)域，由于種子結(jié)構(gòu)的納米級特征尺寸，光學(xué)近場可以在不連續(xù)邊界處被激發(fā)，促進(jìn)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(shí)驗(yàn)觀察和嚴(yán)格的自洽數(shù)值模擬，作者證明了這一機(jī)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(shí)現(xiàn)了在熔融石英中橫向精度達(dá)到10納米和縱橫比達(dá)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(biāo)提高了1到2個(gè)數(shù)量級。

上述研究成果的第一完成單位為吉林大學(xué)，第一作者分別為吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院李臻賾博士（現(xiàn)為清華大學(xué)精密儀器系博士后、水木學(xué)者）、清華大學(xué)博士后樊華博士和吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王磊副教授。論文通訊作者為吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王磊副教授、陳岐岱教授，斯威本科技大學(xué)的saulius juodkazis教授以及清華大學(xué)精密儀器系的孫洪波教授。此外，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的于顏豪高級工程師、胥亦實(shí)博士、張栩碩士研究生、趙新景博士研究生以及清華大學(xué)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(xiàn)。這項(xiàng)研究得到了國家杰出青年基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金國際合作等項(xiàng)目的資助。

達(dá)到10納米和縱橫比達(dá)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(biāo)提高了1到2個(gè)數(shù)量級。