非接触式微球超快激光纳米图案化技术面世

2023-06-19 16:57

近几十年来，为满足提高组件密度和性能的需求，驱动纳米制造技术获得了很大的进步与发展。不过，满足这些需求需要提升材料加工的精度和在大气环境下制造的能力。

与其他先进的加工方法相比，超快激光加工当下被认为是微纳米结构加工中应用最广泛的工具之一。

然而，光学衍射极限又成为了超快激光加工在产生极小特征时面临的关键挑战。这些技术的热影响区仍然比纳米结构大得多，而纳米结构大多具有＞300 nm的熔化区。

在克服这些瓶颈的过程中，利用介电微球作为近场透镜进行超分辨纳米成像和纳米加工，已经在学术界掀起了广泛的研究兴趣。被称为“光子纳米射流”的光学现象，有助于激光聚焦以克服衍射极限。为了提高微球超快激光加工的处理量，科学家们纷纷采用自组装法和微透镜阵列光刻技术来快速、低成本地制备表面图案。

微球飞秒激光加工除了可以在接触模式下实现纳米孔结构外，还可以在非接触模式下实现样品表面的任意结构。通过抬升微球在样品和微球之间形成间隙，可以将工作距离增加到几微米。

这种策略导致微球在远场工作。在这种情况下，通过405 nm的灯、512 nm和800 nm的飞秒激光照射，表面结构的特征尺寸只能减小到～300 nm，距离光学衍射极限还很远。因此，如何在工作距离和特征尺寸之间取得良好的平衡是微球辅助激光制造的关键问题。

为了克服这些问题，厦门大学和新加坡国立大学研究小组联合报道了一种基于非接触微球的超快激光加工技术，实现了相变材料表面＜50 nm的功能纳米图案。这项研究发表在《光电进展》（Opto－Electronic Advances）杂志上。

研究人员还分析并解释了这些纳米结构的形成机理。通过理论计算，入射激光通过50μm微球时，聚焦光斑尺寸仅为～678 nm。由于超快激光的非线性效应，包括双光子吸收和顶阈值效应，纳米结构的特征可以降低到50 nm以下。因此，表面纳米结构归因于微球聚焦、双光子吸收和超快激光照射的顶阈效应的共同作用。

该方法为超细激光表面纳米加工提供了新的思路，并有望通过微球阵列和微球工程进一步优化和提高其加工效率和加工自由度。

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