超快激光加工的高空间分辨率在半导体制造、汽车零部件行业、医疗设备制造和其他领域变得越来越重要。在激光加工中，精度和空间分辨率主要受激光束焦点尺寸的影响。光的衍射通常会限制可实现的光斑尺寸，具体取决于透镜的 数值孔径(NA) 和聚焦激光束的波长。
东北大学的一个研究小组研究了使用径向偏振激光束(也称为矢量光束)来提高超快激光加工的加工精度和分辨率。径向偏振光束在焦点处产生纵向电场。与传统的线偏振或圆偏振光束相比，径向偏振光束会产生较小的焦斑，尤其是当使用高数值孔径透镜紧密聚焦时。
尽管径向偏振光束有望提高激光纳米加工的精度和分辨率，但由于空气-材料界面处的光折射，径向偏振光束的纵向场被发现在材料内部减弱。
通过聚焦在玻璃板背面的环形径向偏振光束进行单次激光加工的概念图。为了更好地了解界面如何影响焦点处的纵向场，研究人员使用紧密聚焦在玻璃表面的径向偏振光束对透明玻璃样品 进行了单次激光烧蚀。他们研究了高数值孔径条件下界面边界条件的影响。
当研究人员使用浸没透镜将径向偏振光束从内部聚焦到玻璃的背面时，焦点处的纵向电场显着增强。研究人员能够产生一个小焦点，他们将其归因于玻璃表面增强的纵向场，并实现了直接激光加工。
小泽雄一教授说，研究人员使用了类似于生物显微镜中的油浸物镜。“由于浸油和玻璃的折射率几乎相同，因此穿过它们的光线不会弯曲，”小泽说。
通过从内部将径向偏振光束聚焦在玻璃的背面，研究人员甚至可以增强材料内部的纵向场，从而直接诱导光与物质的相互作用。
研究人员使用环形径向偏振光束创建了一个小焦点。光束纵向场形成的小焦斑使研究人员能够通过全内反射制造出精细的点状 67 nm 烧蚀孔，约为激光束波长的 1/16。
实验结果证明了一种使用径向偏振光束缩小激光材料加工规模并实现激光纳米加工的潜在方法。这些发现可以促进在高数值孔径环境中使用径向偏振光束的激光烧蚀工艺的发展。
激光加工广泛应用于各行各业，生产电子元件、机器零件、精密机械和医疗器械。宽度从皮秒到飞秒的超短激光脉冲可以实现微米级的精确加工，但使用现有方法很难实现 100 nm 以下的激光加工。
“这一突破使得利用增强的纵向电场能够以更高的精度直接进行材料加工，”小泽说。“它提供了一种简单的方法来实现100纳米以下的加工规模，并为各个行业和科学领域的激光纳米加工开辟了新的可能性。”
