近日，英国曼彻斯特大学激光加工研究中心李琳院士团队在纵波场材料加工领域取得了突破性进展。项目负责人李赵青博士利用S波片及空间光调制器对飞秒激光的偏振、波前、以及振幅依次进行调制（图1），成功生成了高达94.7%的高纯度激光纵波场，通过聚焦800纳米红外波长飞秒激光，在蓝宝石上实现了高深宽比的10纳米孔径加工。这一研究成果揭示了一种全新的基于纵波场粒子加速特性的激光材料烧蚀理论。
创新研究
研究团队利用空间光调制器，对准直高斯光进行了振幅调制。先将准直光整形为完美高斯光，消除其在能量分布上存在的不均匀性。随后进一步移除高斯光中间区域的能量，首次生成了极细的高均匀度环形光（图2）。
径向偏振的环形光经过高数值孔径物镜聚焦后，生成纵波场的示意图如图3所示。为了产生高质量的纵波场，研究团队使用数值孔径为0.95的物镜进行聚焦。利用空间光调制器对物镜聚焦过程中伴随的球差进行了精准校正，确保环形光被聚焦于唯一平面内。
将具有线偏振或角向偏振的超快激光聚焦于蓝宝石表面，会产生平缓的凹坑。而具有径向偏振的激光聚焦产生的纵波场则实现了10纳米的加工尺寸，突破了相对于激光波长1/80的超衍射极限加工能力（图4）。经分析，附着在基体表面加工区域周围的物质，是由材料内部融化溢出后的沉积，并非热影响区。
通过聚焦离子束显微镜（FIB-SEM）对结果进行切割分析，可以看到纵波场加工产生了极高的深宽比（大于16:1）（图5）。这一结果进一步证明了纵波场技术具有高精度激光直写的巨大潜力。
普通激光加工产生的标准库伦爆炸将能量传递给电子系统，实现去除材料的目的。而具有纵波场的激光光束，其电场方向与激光传播方向一致，可表现粒子加速的特性，使得带负电荷的电子和带正电荷的离子以极窄的角度喷发，从而使得材料去除过程相比标准库伦爆炸更加高效，且具有突破衍射极限的分辨率（图6）。高纯度的纵波场材料加工过程揭示了不同于传统的激光烧蚀机制，同时打破了激光聚焦与材料去除的局限，进而实现了超高分辨率和超高深宽比的加工。研究表明，纵波场不仅可被应用于透明材料，其特性也被体现在金属和半导体材料的加工上。
论文信息该研究成果以“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”为题在线发表在Light: Science & Applications。本文第一作者为英国曼彻斯特大学李赵青博士，现就职于武汉华日精密激光股份有限公司，从事激光微纳加工相关领域的科学研究。
