非接触式微球超快激光纳米图案制作技术

图1. 非接触式微球飞秒激光照射的实验装置和制作的纳米结构。Credit: Compuscript Ltd

近几十年来，纳米加工技术的发展是由提高部件密度和性能的需求所推动的，这就要求材料加工的高精度和在大气环境下的制造能力。与其他先进的加工方法相比，超快激光加工已被公认为是最广泛使用的微/纳米结构加工工具之一。

然而，超快激光加工产生极小特征的关键挑战是光学衍射限制。通过这些技术的热影响区仍然比纳米结构大得多，纳米结构大多表现为>300纳米的熔化区。

使用介质微球作为近场透镜进行超分辨率纳米成像和纳米制造已经引起了巨大的研究兴趣。被称为光子纳米喷气的光学现象可以促进激光束聚焦，克服衍射极限。为了提高微球超快激光加工的产量，自组装方法和微透镜阵列光刻技术已经被开发出来，以快速和低成本的方式制造表面图案。

除了通过接触模式实现的纳米孔结构外，微球飞秒激光制造还可以在非接触模式下实现样品表面的任意结构。通过提升微球，在样品和微球之间形成一个间隙，工作距离可以增加到几微米。

这种策略导致了微球在远场工作。在这种情况下，通过405纳米灯、512纳米和800纳米的飞秒激光照射，表面结构的特征尺寸只能减少到~300纳米，这离光学衍射极限还很远。因此，如何在工作距离和特征尺寸之间取得良好的平衡是微球辅助激光制造的一个重要问题。

为了克服这些问题，厦门大学和新加坡国立大学的洪明辉教授研究小组与大连理工大学的曹敦教授共同报告了一种基于非接触式微球的超快激光加工技术，在相变材料表面实现了<50纳米的功能纳米图案。该研究发表在《光电子学进展》杂志上。

在非接触模式下，微球被放置在一个特别设计的支架上，通过灵活地控制微球的X-Y-Z扫描，可以获得纳米结构。在这种情况下，微球和样品之间的距离是微米级的。通过飞秒激光对微球的照射，这项新技术可以在各种条件下以非接触模式高速加工出更精细的纳米结构。

图2. 飞秒激光照射下的微球的形成机制。Credit: Compuscript Ltd
研究人员还分析和解释了这些纳米结构的形成机制。通过理论计算，通过50微米微球的入射激光的聚焦光斑尺寸只有~678纳米。由于超快激光的非线性效应，包括双光子吸收和顶层阈值效应，纳米结构的特征可以缩小到50纳米以下。因此，表面纳米结构是由微球聚焦、双光子吸收和超快激光照射的顶层阈值效应共同作用的结果。

该方法为超细激光表面纳米加工提供了一个新的思路，其加工效率和加工自由度有望通过微球阵列和微球工程进一步优化和提高。

参考资料：Zhenyuan Lin et al, Microsphere femtosecond laser sub-50 nm structuring in far field via non-linear absorption, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230029