激光器已被廣泛應用于工業，例如在高性價比的制造系統中用作可靠的能源，進行標記、鉆孔、淬火和表面處理。目前的工業發展要求將設備的形體尺寸降低達到亞微米甚至納米級。作為一種無掩膜和非接觸工藝，激光納米加工具有設置靈活以及能夠在空氣、真空或液體環境中操作的獨特優點，因此成為更廣泛應用的一種最具吸引力的加工或制造工具。
目前已經開發一些新技術來加工功能性納米結構。工業應用的關鍵問題是在大規模生產中如何在短時間內產生大面積的納米結構。本文介紹了潛在大規模生產的一些多功能激光納米加工方法，另外還簡要討論了滿足亞20 nm分辨率的激光納米加工進一步發展的前景。
微球體陣列輔助激光納米加工
激光納米加工的關鍵挑戰是如何將空氣中的紫外線或可見激光光束聚焦到亞100nm，從而克服光學衍射限制。我們的研究顯示，自排列或大面積旋轉涂抹形成的透明微球體陣列能夠將入射激光光束分離為成千上百萬的微小光束，還能用作透鏡，聚焦這些微小光束以開展表面納米制圖。如圖1（a）所示，局部光線密度大幅增強，并以平行模式加工樣品。這種技術采用通常的二維（2D）微球體陣列將入射激光光束聚焦到基板，因此，只需幾次激光輻射脈沖，即能夠采用單步表面制圖方法在基板上產生成千上百萬的亞微米孔洞。激光納米加工之后，采用傳統超聲波清潔可以清除微球體。靈活控制激光光束掃描外形，可以形成復雜的納米結構設計，例如圖1（b）所示的星形陣列。
激光干涉光刻
激光干涉光刻（Laser Interference Lithography, LIL）是在短時間內形成大面積周期納米結構（例如納米點或納米線陣列）的一種功能強大的工具。只需暴露紫外線幾分鐘，然后采用光致抗蝕刻和化學蝕刻或者剝離工藝，即能夠在金屬薄膜上形成等離子體納米結構。激光光束的相干長度是大面積（厘米級）兩次光束干涉的一個關鍵因素。一次激光輻照形成納米線性陣列，將樣品旋轉90°之后，另一次激光輻照用于形成納米點陣列。通過控制輻照時間和輻照方案，能夠形成各種納米結構，形狀范圍從矩形到三角形和橢圓形。通過化學腐蝕也可以將光致抗蝕刻層形成的2D納米結構傳輸到基板，以形成2.5D納米結構。圖2（a）顯示了嵌入硅基板內部的金屬納米點陣列，圖2（b）顯示了LIL形成的納米柱陣列。
飛秒激光雙光子聚合納米光刻
上述激光納米加工技術用于在樣品表面形成2D大面積納米結構。飛秒激光雙光子聚合（Two-photon-polymerization,2PP）納米光刻是形成任意大面積3D納米結構的一種前景光明的方法。當飛秒激光光束聚焦于光敏材料上時，則通過雙光子非線性吸收來激活聚合過程。采用電腦控制飛秒激光光束掃描外形，以形成任意設計的3D結構。激光掃描之后，沖洗掉未照射的光敏材料。由于工藝的光輻照閾值效應和非線性光吸收性質，靈活控制激光脈沖能源和脈沖重復率以形成圖3所示的功能性3D納米結構，可以形成光學衍射限制（最低60 nm）之外的超分辨率。
激光微透鏡陣列光刻
由于受到樣品表面形成的微球體陣列尺寸的限制，微球體陣列技術輔助激光納米加工形成的納米結構一般極小， 面積低于1 平方厘米。同時，在自排列或旋轉涂布形成微球體陣列期間產生缺陷。激光微透鏡陣列（MLA） 光刻處理更容易， 更適用于大規模生產工業應用的納米結構。MLA將入射激光光束分離為圖4（a）所示的成千上百萬微小激光光束，功能與分離和聚焦激光光束的微球體陣列相似。光致抗蝕刻涂抹的樣品安裝在一根7軸的納米臺上，并定位到MLA的聚焦平面。通過控制級的移動和打開/ 關閉激光脈沖， 能夠通過激光輻照在光致抗蝕刻層上形成任意圖案。圖4（b）顯示在石英基板上形成的通用IC設計陣列。激光MLA光刻具有以平行模式高速形成大面積任意納米結構的獨特優點。該方法也可以用于在各種基板表面形成功能性納米結構，例如撓性聚合物薄膜上的裂環諧振器（SRR）陣列，它能被卷起，作為3D超材料管道應用于超敏感應。
激光納米加工的發展前景
遠紫外線（EUV）納米光刻和激光冷卻是滿足亞20 nm納米加工業要求的兩種高度潛在的方式。雖然幾乎所有材料對EUV光的吸收性極強，但是，EUV光學設備和光掩膜十分昂貴且容易損壞。成功開發直寫的多光束無掩膜EUV納米光刻技術，是克服這種技術挑戰的一種可行解決方案。另外，激光冷卻可以在原子通過時控制原子在基板表面的沉積，并通過激光光束干涉配置的駐波“聚焦”，以達到低至亞10 nm的形體尺寸。
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