非接觸式微球超快激光納米圖案制作技術(shù)

圖1. 非接觸式微球飛秒激光照射的實(shí)驗(yàn)裝置和制作的納米結(jié)構(gòu)。Credit: Compuscript Ltd

近幾十年來，納米加工技術(shù)的發(fā)展是由提高部件密度和性能的需求所推動的，這就要求材料加工的高精度和在大氣環(huán)境下的制造能力。與其他先進(jìn)的加工方法相比，超快激光加工已被公認(rèn)為是最廣泛使用的微/納米結(jié)構(gòu)加工工具之一。

然而，超快激光加工產(chǎn)生極小特征的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光學(xué)衍射限制。通過這些技術(shù)的熱影響區(qū)仍然比納米結(jié)構(gòu)大得多，納米結(jié)構(gòu)大多表現(xiàn)為>300納米的熔化區(qū)。

使用介質(zhì)微球作為近場透鏡進(jìn)行超分辨率納米成像和納米制造已經(jīng)引起了巨大的研究興趣。被稱為光子納米噴氣的光學(xué)現(xiàn)象可以促進(jìn)激光束聚焦，克服衍射極限。為了提高微球超快激光加工的產(chǎn)量，自組裝方法和微透鏡陣列光刻技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，以快速和低成本的方式制造表面圖案。

除了通過接觸模式實(shí)現(xiàn)的納米孔結(jié)構(gòu)外，微球飛秒激光制造還可以在非接觸模式下實(shí)現(xiàn)樣品表面的任意結(jié)構(gòu)。通過提升微球，在樣品和微球之間形成一個間隙，工作距離可以增加到幾微米。

這種策略導(dǎo)致了微球在遠(yuǎn)場工作。在這種情況下，通過405納米燈、512納米和800納米的飛秒激光照射，表面結(jié)構(gòu)的特征尺寸只能減少到~300納米，這離光學(xué)衍射極限還很遠(yuǎn)。因此，如何在工作距離和特征尺寸之間取得良好的平衡是微球輔助激光制造的一個重要問題。

為了克服這些問題，廈門大學(xué)和新加坡國立大學(xué)的洪明輝教授研究小組與大連理工大學(xué)的曹敦教授共同報告了一種基于非接觸式微球的超快激光加工技術(shù)，在相變材料表面實(shí)現(xiàn)了

在非接觸模式下，微球被放置在一個特別設(shè)計的支架上，通過靈活地控制微球的X-Y-Z掃描，可以獲得納米結(jié)構(gòu)。在這種情況下，微球和樣品之間的距離是微米級的。通過飛秒激光對微球的照射，這項新技術(shù)可以在各種條件下以非接觸模式高速加工出更精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)。

圖2. 飛秒激光照射下的微球的形成機(jī)制。Credit: Compuscript Ltd

研究人員還分析和解釋了這些納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。通過理論計算，通過50微米微球的入射激光的聚焦光斑尺寸只有~678納米。由于超快激光的非線性效應(yīng)，包括雙光子吸收和頂層閾值效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)的特征可以縮小到50納米以下。因此，表面納米結(jié)構(gòu)是由微球聚焦、雙光子吸收和超快激光照射的頂層閾值效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

該方法為超細(xì)激光表面納米加工提供了一個新的思路，其加工效率和加工自由度有望通過微球陣列和微球工程進(jìn)一步優(yōu)化和提高。

參考資料：Zhenyuan Lin et al, Microsphere femtosecond laser sub-50 nm structuring in far field via non-linear absorption, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230029