英国团队在蓝宝石上实现10纳米孔径加工，打破远场光学衍射极限

2022-12-13 14:14

蓝宝石具有超强硬度、耐腐蚀、耐高温、在紫外－红外波段具有良好的透光性等优点，在军工、医疗器械等领域中具有广泛的应用前景。然而，这些特性也使得其很难进行机械加工和化学腐蚀加工。

近日，来自英国曼彻斯特大学激光加工研究中心的研究人员宣布，他们利用飞秒激光在蓝宝石上制造了直径为10纳米的小孔，这一结果实现了飞秒激光在蓝宝石晶体表面精细加工方面的新突破。

科学家利用飞秒激光在蓝宝石上产生10nm孔，打破远场光学衍射极限

（图片来源：英国曼彻斯特大学激光加工研究中心）

据悉，科学家们利用新开发的一种新方法进行实验，演示了高纯度纵向飞秒激光场（即与光轴平行）及其与抛光硅、铜和蓝宝石的相互作用。在实验中，他们首先用0．75 NA的非平面透镜聚焦形成800nm飞秒激光的光束，以此确认纵向场的存在，然后用0．95 NA的透镜进一步了解聚焦纵向场的特征及其对激光材料加工的影响。接着，他们还研究了偏振态、光束强度分布和波前消融剖面，并将结果与纵向场的理论模型进行了比较。

最终，他们在隔空的情况下，在抛光的蓝宝石上演示了分辨率高达10nm的材料加工效果，这远远超过800nm波长的远场衍射极限，也远超之前发表的基于强非线性激光材料相互作用过程的结果。

为了验证这些微小孔洞的截面特征，研究人员进行了聚焦离子束截面。结果显示的孔直径为30nm，深度超过500nm，且锥度为零。

该论文的合著者Olivier Allegre博士补充说：“在这项研究中观察到的极小的特征尺寸、非常高的深宽比与平行孔壁可能表明，纵向场诱导的材料去除机制与横向线性极化诱导的材料去除机制有根本不同。这种现象在单脉冲这种规模的激光材料加工中很少见。具有纵向场的激光束可以表现得有点像粒子加速器，使电子（带负电荷）和离子（带正电荷）比标准库仑爆炸更有效地喷射出来。我们实验中产生的非常深的空穴表明，空穴中存在电子加速和电荷极化以去除物质的可能性。”

这项研究的意义在于展示了用红外激光束处理超分辨率材料，并打破了远场的光学衍射极限。以往的大多数方法要么是基于昂贵的极紫外（EUV）激光波长，在光学衍射极限内工作；要么是使用近场光学，使工作距离太近而无法实际使用。该方法实现了激光加工的高纵横比特征，指出了一种新的材料去除机制。