在光學和微納加工領域，精確操縱激光以滿足日益增長的微型化需求，是推動現代電子和生物醫學設備發展的重要挑戰。近日，日本東北大學的研究人員成功演示了通過干涉技術增強徑向偏振光束的縱向電場，以提升激光燒蝕技術的精度，成功實現了小于100 nm直徑的精細特征加工。這項技術不僅在半導體制造領域具有潛在應用價值，還可能革新醫學領域的微觀操作，同時為激光加工技術提供了一種實現納米級精度的新方法。
圖1 研究人員通過塑造激光光束，使其發生全內反射，將來自激光的徑向偏振光聚焦到玻璃片遠側的非常小的點上，從而增強了其縱向電場
縮小激光焦點尺寸：實現細微尺寸特征加工
使用幾百飛秒（10-15 s）的激光脈沖，可以精細雕刻出微米級別的特征，而且幾乎不會產生熱量。但是，現代電子及生物醫療設備通常需要100 nm或更低的細微尺寸特征。滿足這些尺寸要求主要是通過縮小激光焦點的大小，然而，這一目標通常受到激光的波長和用于集束光線的透鏡數值孔徑制約。
縮小光斑尺寸的一種方法是使用徑向偏振光束，即光束的電場矢量全部指向其中心。這種光束可以通過在焦點處產生縱向電場，從而提高分辨率，相較于傳統的線性或圓偏振光而言有所改進。徑向偏振已經在一種特定形式的顯微鏡技術中得到應用，它也有潛力改善超快激光加工技術。
然而，在不同材料之間的界面處產生足夠強的縱向電場是一個主要挑戰。縱向電場的強度隨著所涉及兩種材料的折射率平方比例的變化而變化，因此，當光線從空氣進入玻璃等材質時，其強度可能會嚴重減弱。
創新聚焦策略：徑向偏振光束和干涉增強
最近，日本東北大學的Yuichi Kozawa及其同事展示了如何通過將徑向偏振光束聚焦在透明材料內側的遠表面，而非較近的外側表面，來克服這一問題。他們還通過利用入射波和反射波之間的干涉來增強縱向場的強度。
研究人員首先通過計算機模擬，研究了徑向偏振光束的縱向場強度及其光斑尺寸在通過高數值孔徑透鏡聚焦時的變化情況。他們發現，在空氣中，強度在焦點處達到最高，形成一個緊湊的圓形斑點。仿真結果表明，如果光束聚焦于玻璃塊表面，折射率的差異會降低強度，形成一個環形斑點。
然而，Yuichi Kozawa及其團隊展示了他們能通過將光聚焦至玻璃的遠側，并把透鏡放入油中來恢復較小的光斑尺寸。由于油的折射率與玻璃相同，去除了上層界面的影響，消除了其邊界條件并重新獲得了縱向場的強度。
通過實驗驗證了這些模擬結果，他們使用約300 fs、波長為1040 nm的激光脈沖，通過一個分段的半波片后，將其聚焦在硼硅酸鹽玻璃板的前面或后面。采用三種不同的透鏡和方位光，他們發現只有在使用徑向偏振光束并且用數值孔徑為1.4的透鏡將脈沖聚焦至玻璃板的背面時，才能生成直徑約為200 nm的圓形燒蝕坑，而不是環形坑。
圖2 通過單次激光照射玻璃背面，使用環形的徑向偏振光束制造出一個大小約為波長1/16的燒蝕坑
增強縱向場強度：提高激光加工空間分辨率
此外，研究人員還探索了如何通過最大化入射波和從玻璃背面反射的波之間的干涉來增強縱向場強度。正如他們在論文中解釋的那樣，當所有光線反射而非折射時，即當光束以玻璃和空氣的臨界角入射時，這一現象就會發生。因此，他們推理，通過將光束輪廓塑造成一個狹窄的環形來限制入射波的角度，應該可以實現這一點。
通過實驗，他們證實了這個想法。在實驗中，他們利用空間光調制器傳遞激光脈沖，以產生具有不同參數的環狀圖案，隨后對這些脈沖施加徑向偏振，并將其聚焦至玻璃板的遠端。實驗結果表明，環形參數可以在一系列數值內變化，仍能生成光斑形狀的燒蝕坑。但實驗也證實，只有當這些參數接近于實現臨界角所需的數值時，才能得到最小的光斑，該光斑寬度僅為67 nm，約為激光光波長的1/16。
Yuichi Kozawa及其同事認為，這些結果證明了通過操縱徑向偏振激光束的縱向電場，可以控制燒蝕特征的大小。因此，他們表示，這項工作有望提高激光加工的空間分辨率，實現納米級加工工藝。
研究人員解釋說，這種利用全內反射的想法可以應用于許多現有的技術，這些技術涉及將激光束聚焦在透明材料的遠表面。他們補充說，通過改變激光波長，其他材料也可以應用這種方法，例如，可以使用1100 nm或更長的激光加工硅。
原文鏈接：
https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2024/april/a_cut_above_for_laser_processing/?src=hplead
科學編輯 | 佚名
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