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提出自適應(yīng)光束整形技術(shù)突破微槽精密控形加工瓶頸

復(fù)雜截面微槽在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，但其精密加工（尤其針對難加工材料）仍面臨巨大挑戰(zhàn)。雖然圖案化激光燒蝕技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多材料微溝槽制備，但離焦平面衍射導(dǎo)致的能量分布變化及材料對偏振態(tài)激光的吸收差異，使得微槽輪廓與光斑形狀的關(guān)聯(lián)性難以精確控制，制約了特定截面結(jié)構(gòu)的可控制備。

研究團(tuán)隊(duì)提出一種自適應(yīng)光束整形方法（如圖1.1所示），通過建立結(jié)合“光束傳輸衍射”與“偏振相關(guān)能量吸收率”的激光燒蝕輪廓演化模型，精準(zhǔn)預(yù)測微槽形貌并用于指導(dǎo)光斑形狀迭代優(yōu)化。在仿真模型中，根據(jù)仿真輪廓與目標(biāo)輪廓的差異動態(tài)調(diào)整光束形狀，經(jīng)動態(tài)微調(diào)后的光斑，可在加工寬度為10μm的微槽時(shí)，保證其輪廓均方根誤差低至0.5μm（如圖1.2所示）。自適應(yīng)光束整形結(jié)合激光直寫技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了三角形、梯形及函數(shù)化曲面微結(jié)構(gòu)的高精度加工（如圖1.2所示）。該技術(shù)為難加工材料的微槽加工提供了新策略，同時(shí)為高精度微結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了創(chuàng)新路徑。

相關(guān)成果以“Adaptive beam-shaping enabled high-precision patterned laser micro-grooving”為題，發(fā)表于 International Journal of Extreme Manufacturing。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系畢業(yè)生邱佩博士和2021級博士生李峻為文章共同第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

圖1.1. 基于精確演化模型的自適應(yīng)光束整形技術(shù)流程圖

圖1.2. 控形能力驗(yàn)證和不同橫截面輪廓的偏差分析（a）三角形；（b）梯形；（c）半圓形；（d）U 形

創(chuàng)新性設(shè)計(jì)全玻璃納米孔超構(gòu)透鏡顯著提升光波調(diào)制性能

超構(gòu)透鏡是一種由亞波長結(jié)構(gòu)單元組成的平面光學(xué)器件，能通過精確調(diào)控光波的相位、振幅及偏振特性，實(shí)現(xiàn)對光場的高效操控。與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡相比，超構(gòu)透鏡具有輕薄化、緊湊化及多功能集成等顯著優(yōu)勢，在成像、顯示、傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)納米柱超構(gòu)透鏡因受限于結(jié)構(gòu)單元的縱橫比與占空比約束，常面臨相位延遲不足的瓶頸問題，嚴(yán)重制約其性能提升與功能拓展。

針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出全玻璃納米孔超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)，通過采用亞波長周期、深度可調(diào)且占空比固定的高深徑比納米孔作為相位調(diào)制單元，成功實(shí)現(xiàn)線性2π相位延遲，顯著提升光波調(diào)制性能。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了非衍射貝塞爾光束光刻技術(shù)（圖2.1），利用凹錐透鏡相位圖調(diào)制的貝塞爾光束特性，確保納米孔沿深度方向的直徑一致性。結(jié)合熱退火與化學(xué)刻蝕后處理工藝，最終制備出周期低至800nm、深度超10μm且形貌可控的無損納米孔陣列。該技術(shù)在1.55μm通信波長下的調(diào)制效率達(dá)97%，并成功制備了直徑2cm的大面積超構(gòu)透鏡及軸棱鏡、渦旋波片、閃耀光柵等多類光學(xué)器件（圖2.2）。這一突破不僅攻克了傳統(tǒng)超構(gòu)透鏡的相位延遲限制，更通過超快激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率的微納制造，為低成本定制化超構(gòu)透鏡的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了全新解決方案。

相關(guān)成果以“All-glass Nanohole metalens by Non-diffracting Laser Lithography”為題，發(fā)表于 Laser & Photonics Reviews。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士后徐康和碩士鄭滿冬為共同第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

圖2.1. 全玻璃納米孔超構(gòu)透鏡超快激光加工示意圖（a）無衍射貝塞爾激光加工方法示意圖；（b）加工的納米孔斷面表征；（c）大面積超構(gòu)透鏡照片及成像效果

圖2.2. 多樣化超構(gòu)透鏡（a-c）閃耀光柵；（d-g）超大底角（17°）錐透鏡；（h,i）八階渦旋波片

設(shè)計(jì)高激光誘導(dǎo)損傷閾值增透光學(xué)元件，取得超快激光復(fù)合制造技術(shù)突破

增透光學(xué)元器件在現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用尤其是激光加工系統(tǒng)中承擔(dān)著關(guān)鍵作用，而在面對高功率激光的應(yīng)用場景時(shí)，常見的鍍膜增透的方式面臨挑戰(zhàn)，這限制了增透技術(shù)的應(yīng)用與推廣。如何提高增透技術(shù)的激光誘導(dǎo)損傷閾值以滿足高功率激光的應(yīng)用需求值得進(jìn)一步研究。

針對這一需求，研究團(tuán)隊(duì)提出一種超快激光加工技術(shù)和原位去濕輔助等離子體刻蝕方法（如圖3.1所示），通過在熔融石英玻璃光學(xué)元件表面鍍一層鉑（Pt）金屬薄膜，在高能等離子體的持續(xù)輻照和轟擊下，由于瑞利不穩(wěn)定性，金屬薄膜會逐漸演化形成均勻分布的納米金屬顆粒，充當(dāng)納米掩模的作用，在基底材料上刻蝕形成均勻分布的錐形納米結(jié)構(gòu)，結(jié)合超快激光加工技術(shù)，在石英玻璃材料表面實(shí)現(xiàn)了光學(xué)微結(jié)構(gòu)復(fù)合納米錐陣列減反射結(jié)構(gòu)的高效制備。納米錐的形成得益于金屬薄膜在高能等離子體輻照下由馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動的去濕行為所形成的納米顆粒掩模，具有強(qiáng)耐刻蝕性以及去濕形成均勻納米顆粒的Pt可以實(shí)現(xiàn)高深徑比、高密度的納米錐陣列的制備。通過控制金屬薄膜厚度或者結(jié)合鈍化二次刻蝕過程，可以靈活制備直徑62-136nm、高度126-942nm可調(diào)的納米錐陣列結(jié)構(gòu)。該方法制備的增透微光學(xué)元件在0.3-2.5μm波段上平均透過率達(dá)到98%，聚焦效率提高至原來的1.1倍，并保持了原熔融石英玻璃材料79.4%的激光誘導(dǎo)損傷閾值（如圖3.2所示），實(shí)現(xiàn)了高激光誘導(dǎo)損傷閾值的增透微光學(xué)元件。

相關(guān)成果以“In Situ Dewetting Assisted Plasma Etching of Large-Scale Uniform Nanocones on Arbitrarily Structured Glass Elements”為題，發(fā)表于 Advanced Functional Materials。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系畢業(yè)生胡勁博士為論文第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

圖3.1. 原位去濕輔助等離子體刻蝕方法示意圖及其結(jié)構(gòu)演變過程

圖3.2. 高激光誘導(dǎo)損傷閾值光學(xué)元件的透過率與損傷閾值表征

提出超快激光跨尺度圖案化光刻新方法，助力MIM超構(gòu)器件制備

金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)超構(gòu)器件因其多層膜結(jié)構(gòu)具備低損耗、高調(diào)制效率、工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在光束整形、全息成像、紅外完美吸收等先進(jìn)光學(xué)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)制造方法難以在保證分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大面積表面結(jié)構(gòu)的高效一致加工，制約了MIM器件的規(guī)模化應(yīng)用。

針對這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出“跨尺度圖案化脈沖激光光刻（PPLL）”新方法，通過空間光調(diào)制器（SLM）對超快激光光源進(jìn)行二元圖案化整形，實(shí)現(xiàn)單次曝光即可加工復(fù)雜自由曲面圖案，大幅提升加工效率（圖4.1）。通過改進(jìn)光路系統(tǒng)（8f系統(tǒng)）與反高斯灰度數(shù)字掩模優(yōu)化能量分布，研究人員實(shí)現(xiàn)了超過100*100μm²的單次曝光面積和近衍射極限（300nm）的空間分辨率，兼顧了加工高精度和大面積加工一致性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由20nm的相變材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）薄膜層、Al₂O₃絕緣層、金屬反射層組成的MIM結(jié)構(gòu)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)接近半波相位延遲，有效突破了單層膜相位調(diào)制能力不足的瓶頸，顯著提升了光場調(diào)控能力。

圖4.1 跨尺度圖案化脈沖激光光刻方法示意圖 （a）空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)控的光路結(jié)構(gòu)；（b）一次曝光加工4單元Dammann光柵圖案的原理示意；（c）單層結(jié)構(gòu)光柵的顯微圖像及其衍射效果；（d）MIM結(jié)構(gòu)光柵的顯微圖像及其光束分束效果

基于該方法，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出具有高均勻性和高衍射效率的Dammann光柵，以及清晰重構(gòu)圖像的MIM全息器件（如圖4.2所示）。該方法可在數(shù)分鐘內(nèi)完成厘米級器件的高精度加工，展現(xiàn)出極高的制造效率與光學(xué)調(diào)控能力。

圖4.2 MIM全息超構(gòu)器件的設(shè)計(jì)與表征 （a-d）任意計(jì)算全息圖（CGH）相位圖的設(shè)計(jì)；（e）二值CGH圖的二維傅里葉變換結(jié)果；（f,g）光學(xué)顯微鏡下的器件形貌；（h）掃描電鏡下的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；（i）520 nm激光重構(gòu)出的全息圖像。激光加工能量密度為0.04 J/cm²

該成果為超快激光在超構(gòu)器件領(lǐng)域的規(guī)模化制備提供了新思路，為低損耗、高性能的平面光學(xué)元件開辟了超快激光制備的新路徑。相關(guān)成果以“Cross-Scale Patterned Pulse Laser Lithography for MIM meta-Devices Processing”為題發(fā)表于 Advanced Materials Technologies。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士生黃凌羽為論文第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

原子尺度結(jié)構(gòu)演變揭示超快激光加工金剛石的相變機(jī)制

單晶金剛石作為超寬帶隙半導(dǎo)體材料，在電子器件與量子技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。超快激光加工技術(shù)雖為金剛石微納制造提供了獨(dú)特優(yōu)勢，但其瞬態(tài)能量沉積誘導(dǎo)的原子級結(jié)構(gòu)演化機(jī)制尚未明晰，阻礙了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛秒激光脈沖連續(xù)作用于金剛石表面時(shí)，超快力-熱耦合效應(yīng)會引發(fā)周期性結(jié)構(gòu)演變：早期脈沖導(dǎo)致的不可逆相變將改變材料狀態(tài)，進(jìn)而影響后續(xù)脈沖與材料的相互作用，最終形成表面及亞表面的多層級納米結(jié)構(gòu)。通過系統(tǒng)分析飛秒激光加工中的超快動力學(xué)過程、電場分布特性及燒蝕機(jī)制，團(tuán)隊(duì)首次提出納米復(fù)合碳結(jié)構(gòu)的順序相變機(jī)制（圖5.1），推翻了傳統(tǒng)“石墨化”理論對相變過程的單一解釋。該研究從原子尺度揭示了金剛石在超快激光作用下的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，為其超精密加工及功能碳材料的可控合成提供了理論支撐。

相關(guān)成果以“Atomic-level insight into sequential evolution of nanocomposite carbon structures in femtosecond laser processing of diamond”為題，發(fā)表于 International Journal of Machine Tools and Manufacture。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系畢業(yè)生韓慧莉博士為論文第一作者，徐少林和機(jī)械與能源工程系講席教授張璧為共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。

圖5.1.飛秒激光加工單晶金剛石的相變機(jī)制示意圖

系統(tǒng)性解析超分辨激光加工技術(shù)路徑與突破方向

超分辨激光加工技術(shù)通過突破光學(xué)衍射極限，為半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的精密微納制造開辟了新路徑。然而，傳統(tǒng)激光技術(shù)長期受限于分辨率與效率的矛盾：高精度加工需犧牲產(chǎn)能，而大規(guī)模生產(chǎn)則難以兼顧精度，嚴(yán)重制約其工業(yè)化應(yīng)用。

本綜述系統(tǒng)梳理了兩類核心超分辨方法(圖6.1和圖6.2)：“縮小衍射極限”（通過縮小激光波長、優(yōu)化聚焦系統(tǒng)壓縮光斑尺寸）與“繞過衍射極限”（利用非線性效應(yīng)、近場增強(qiáng)等物理機(jī)制突破傳統(tǒng)光學(xué)限制）。同時(shí)，通過激光參數(shù)選擇、加工策略優(yōu)化和時(shí)空調(diào)制等方式以調(diào)控材料-光場相互作用，以及對新型高速光學(xué)加工系統(tǒng)開發(fā)，可有效平衡分辨率與效率矛盾。該綜述進(jìn)一步展望了跨學(xué)科融合下超分辨激光加工技術(shù)在進(jìn)一步發(fā)展中可能的前進(jìn)方向及其產(chǎn)業(yè)化潛力，為下一代精密制造技術(shù)革新提供了重要理論框架。

圖6.1. 如何實(shí)現(xiàn)超分辨激光加工

圖6.2.實(shí)現(xiàn)超分辨激光加工的兩類途徑

該綜述以“Super-resolution laser machining”為題發(fā)表于 International Journal of Machine Tools and Manufacture。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系畢業(yè)生黃佳旭博士為第一作者，徐康博士參與撰寫，徐少林為通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。