在光學(xué)和微納加工領(lǐng)域，精確操縱激光以滿足日益增長(zhǎng)的微型化需求，是推動(dòng)現(xiàn)代電子和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。近日，日本東北大學(xué)的研究人員成功演示了通過干涉技術(shù)增強(qiáng)徑向偏振光束的縱向電場(chǎng)，以提升激光燒蝕技術(shù)的精度，成功實(shí)現(xiàn)了小于100 nm直徑的精細(xì)特征加工。這項(xiàng)技術(shù)不僅在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，還可能革新醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微觀操作，同時(shí)為激光加工技術(shù)提供了一種實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的新方法。

圖1 研究人員通過塑造激光光束，使其發(fā)生全內(nèi)反射，將來自激光的徑向偏振光聚焦到玻璃片遠(yuǎn)側(cè)的非常小的點(diǎn)上，從而增強(qiáng)了其縱向電場(chǎng)

縮小激光焦點(diǎn)尺寸：實(shí)現(xiàn)細(xì)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(xì)雕刻出微米級(jí)別的特征，而且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生熱量。但是，現(xiàn)代電子及生物醫(yī)療設(shè)備通常需要100 nm或更低的細(xì)微尺寸特征。滿足這些尺寸要求主要是通過縮小激光焦點(diǎn)的大小，然而，這一目標(biāo)通常受到激光的波長(zhǎng)和用于集束光線的透鏡數(shù)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(chǎng)矢量全部指向其中心。這種光束可以通過在焦點(diǎn)處產(chǎn)生縱向電場(chǎng)，從而提高分辨率，相較于傳統(tǒng)的線性或圓偏振光而言有所改進(jìn)。徑向偏振已經(jīng)在一種特定形式的顯微鏡技術(shù)中得到應(yīng)用，它也有潛力改善超快激光加工技術(shù)。

然而，在不同材料之間的界面處產(chǎn)生足夠強(qiáng)的縱向電場(chǎng)是一個(gè)主要挑戰(zhàn)?？v向電場(chǎng)的強(qiáng)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(dāng)光線從空氣進(jìn)入玻璃等材質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度可能會(huì)嚴(yán)重減弱。

創(chuàng)新聚焦策略：徑向偏振光束和干涉增強(qiáng)

最近，日本東北大學(xué)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(nèi)側(cè)的遠(yuǎn)表面，而非較近的外側(cè)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(qiáng)縱向場(chǎng)的強(qiáng)度。

研究人員首先通過計(jì)算機(jī)模擬，研究了徑向偏振光束的縱向場(chǎng)強(qiáng)度及其光斑尺寸在通過高數(shù)值孔徑透鏡聚焦時(shí)的變化情況。他們發(fā)現(xiàn)，在空氣中，強(qiáng)度在焦點(diǎn)處達(dá)到最高，形成一個(gè)緊湊的圓形斑點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，如果光束聚焦于玻璃塊表面，折射率的差異會(huì)降低強(qiáng)度，形成一個(gè)環(huán)形斑點(diǎn)。

然而，Yuichi Kozawa及其團(tuán)隊(duì)展示了他們能通過將光聚焦至玻璃的遠(yuǎn)側(cè)，并把透鏡放入油中來恢復(fù)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(chǎng)的強(qiáng)度。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些模擬結(jié)果，他們使用約300 fs、波長(zhǎng)為1040 nm的激光脈沖，通過一個(gè)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(fā)現(xiàn)只有在使用徑向偏振光束并且用數(shù)值孔徑為1.4的透鏡將脈沖聚焦至玻璃板的背面時(shí)，才能生成直徑約為200 nm的圓形燒蝕坑，而不是環(huán)形坑。

圖2 通過單次激光照射玻璃背面，使用環(huán)形的徑向偏振光束制造出一個(gè)大小約為波長(zhǎng)1/16的燒蝕坑

增強(qiáng)縱向場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)縱向場(chǎng)強(qiáng)度。正如他們?cè)谡撐闹薪忉尩哪菢樱?dāng)所有光線反射而非折射時(shí)，即當(dāng)光束以玻璃和空氣的臨界角入射時(shí)，這一現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。因此，他們推理，通過將光束輪廓塑造成一個(gè)狹窄的環(huán)形來限制入射波的角度，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

通過實(shí)驗(yàn)，他們證實(shí)了這個(gè)想法。在實(shí)驗(yàn)中，他們利用空間光調(diào)制器傳遞激光脈沖，以產(chǎn)生具有不同參數(shù)的環(huán)狀圖案，隨后對(duì)這些脈沖施加徑向偏振，并將其聚焦至玻璃板的遠(yuǎn)端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)形參數(shù)可以在一系列數(shù)值內(nèi)變化，仍能生成光斑形狀的燒蝕坑。但實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，只有當(dāng)這些參數(shù)接近于實(shí)現(xiàn)臨界角所需的數(shù)值時(shí)，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(zhǎng)的1/16。

Yuichi Kozawa及其同事認(rèn)為，這些結(jié)果證明了通過操縱徑向偏振激光束的縱向電場(chǎng)，可以控制燒蝕特征的大小。因此，他們表示，這項(xiàng)工作有望提高激光加工的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工工藝。

研究人員解釋說，這種利用全內(nèi)反射的想法可以應(yīng)用于許多現(xiàn)有的技術(shù)，這些技術(shù)涉及將激光束聚焦在透明材料的遠(yuǎn)表面。他們補(bǔ)充說，通過改變激光波長(zhǎng)，其他材料也可以應(yīng)用這種方法，例如，可以使用1100 nm或更長(zhǎng)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(xué)編輯 | 佚名