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藍(lán)寶石具有超強(qiáng)硬度、耐腐蝕、耐高溫、在紫外－紅外波段具有良好的透光性等優(yōu)點(diǎn)，在軍工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，這些特性也使得其很難進(jìn)行機(jī)械加工和化學(xué)腐蝕加工。

近日，來(lái)自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心的研究人員宣布，他們利用飛秒激光在藍(lán)寶石上制造了直徑為10納米的小孔，這一結(jié)果實(shí)現(xiàn)了飛秒激光在藍(lán)寶石晶體表面精細(xì)加工方面的新突破。

（圖片來(lái)源：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心）

據(jù)悉，科學(xué)家們利用新開(kāi)發(fā)的一種新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，演示了高純度縱向飛秒激光場(chǎng)（即與光軸平行）及其與拋光硅、銅和藍(lán)寶石的相互作用。在實(shí)驗(yàn)中，他們首先用0．75 NA的非平面透鏡聚焦形成800nm飛秒激光的光束，以此確認(rèn)縱向場(chǎng)的存在，然后用0．95 NA的透鏡進(jìn)一步了解聚焦縱向場(chǎng)的特征及其對(duì)激光材料加工的影響。接著，他們還研究了偏振態(tài)、光束強(qiáng)度分布和波前消融剖面，并將結(jié)果與縱向場(chǎng)的理論模型進(jìn)行了比較。

最終，他們?cè)诟艨盏那闆r下，在拋光的藍(lán)寶石上演示了分辨率高達(dá)10nm的材料加工效果，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)800nm波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射極限，也遠(yuǎn)超之前發(fā)表的基于強(qiáng)非線性激光材料相互作用過(guò)程的結(jié)果。

為了驗(yàn)證這些微小孔洞的截面特征，研究人員進(jìn)行了聚焦離子束截面。結(jié)果顯示的孔直徑為30nm，深度超過(guò)500nm，且錐度為零。

該論文的合著者Olivier Allegre博士補(bǔ)充說(shuō)：“在這項(xiàng)研究中觀察到的極小的特征尺寸、非常高的深寬比與平行孔壁可能表明，縱向場(chǎng)誘導(dǎo)的材料去除機(jī)制與橫向線性極化誘導(dǎo)的材料去除機(jī)制有根本不同。這種現(xiàn)象在單脈沖這種規(guī)模的激光材料加工中很少見(jiàn)。具有縱向場(chǎng)的激光束可以表現(xiàn)得有點(diǎn)像粒子加速器，使電子（帶負(fù)電荷）和離子（帶正電荷）比標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)侖爆炸更有效地噴射出來(lái)。我們實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的非常深的空穴表明，空穴中存在電子加速和電荷極化以去除物質(zhì)的可能性?！?/section>

這項(xiàng)研究的意義在于展示了用紅外激光束處理超分辨率材料，并打破了遠(yuǎn)場(chǎng)的光學(xué)衍射極限。以往的大多數(shù)方法要么是基于昂貴的極紫外（EUV）激光波長(zhǎng)，在光學(xué)衍射極限內(nèi)工作；要么是使用近場(chǎng)光學(xué)，使工作距離太近而無(wú)法實(shí)際使用。該方法實(shí)現(xiàn)了激光加工的高縱橫比特征，指出了一種新的材料去除機(jī)制。

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飛秒激光加工藍(lán)寶石工藝再獲新進(jìn)展！