本文第一作者為英國曼徹斯特大學李趙青博士，現就職于華日激光。通訊作者為李琳院士與Olivier Allegre博士。
導讀
近日，英國曼徹斯特大學激光加工研究中心李琳院士團隊在縱波場材料加工領域取得了突破性進展。項目負責人李趙青博士利用S波片及空間光調制器對飛秒激光的偏振、波前、以及振幅依次進行調制（圖1），成功生成了高達94.7%的高純度激光縱波場，通過聚焦800納米紅外波長飛秒激光，在藍寶石上實現了高深寬比的10納米孔徑加工。這一研究成果揭示了一種全新的基于縱波場粒子加速特性的激光材料燒蝕理論。
創新研究
研究團隊利用空間光調制器，對準直高斯光進行了振幅調制。先將準直光整形為完美高斯光，消除其在能量分布上存在的不均勻性。隨后進一步移除高斯光中間區域的能量，首次生成了極細的高均勻度環形光（圖2）。
徑向偏振的環形光經過高數值孔徑物鏡聚焦后，生成縱波場的示意圖如圖3所示。為了產生高質量的縱波場，研究團隊使用數值孔徑為0.95的物鏡進行聚焦。利用空間光調制器對物鏡聚焦過程中伴隨的球差進行了精準校正，確保環形光被聚焦于唯一平面內。
將具有線偏振或角向偏振的超快激光聚焦于藍寶石表面，會產生平緩的凹坑。而具有徑向偏振的激光聚焦產生的縱波場則實現了10納米的加工尺寸，突破了相對于激光波長1/80的超衍射極限加工能力（圖4）。經分析，附著在基體表面加工區域周圍的物質，是由材料內部融化溢出后的沉積，并非熱影響區。
通過聚焦離子束顯微鏡（FIB-SEM）對結果進行切割分析，可以看到縱波場加工產生了極高的深寬比（大于16:1）（圖5）。這一結果進一步證明了縱波場技術具有高精度激光直寫的巨大潛力。
普通激光加工產生的標準庫倫爆炸將能量傳遞給電子系統，實現去除材料的目的。而具有縱波場的激光光束，其電場方向與激光傳播方向一致，可表現粒子加速的特性，使得帶負電荷的電子和帶正電荷的離子以極窄的角度噴發，從而使得材料去除過程相比標準庫倫爆炸更加高效，且具有突破衍射極限的分辨率（圖6）。高純度的縱波場材料加工過程揭示了不同于傳統的激光燒蝕機制，同時打破了激光聚焦與材料去除的局限，進而實現了超高分辨率和超高深寬比的加工。研究表明，縱波場不僅可被應用于透明材料，其特性也被體現在金屬和半導體材料的加工上。
論文信息該研究成果以“Realising high aspect ratio 10 nm feature size in laser materials processing in air at 800 nm wavelength in the far-field by creating a high purity longitudinal light field at focus”為題在線發表在Light: Science & Applications。本文第一作者為英國曼徹斯特大學李趙青博士，現就職于武漢華日精密激光股份有限公司，從事激光微納加工相關領域的科學研究。通訊作者為李琳院士與Olivier Allegre博士。
論文地址https://www.nature.com/articles/s41377-022-00962-x,
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