南方科技大学《Machine Tools》：超分辨率激光加工！

摘要：超分辨率激光加工代表了精密制造中的前沿进展，旨在接近甚至超越光学衍射极限，以生产具有极其精细特征尺寸、最小热影响区和复杂自由形状图案的结构。本文概述了实现超分辨率的两种主要方法：一种是通过采用更短的激光波长或先进的聚焦技术来减少衍射极限，另一种是通过先进的激光

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导读

超分辨率激光加工代表了精密制造中的前沿进展，旨在接近甚至超越光学衍射极限，以生产具有极其精细特征尺寸、最小热影响区和复杂自由形状图案的结构。本文概述了实现超分辨率的两种主要方法：一种是通过采用更短的激光波长或先进的聚焦技术来减少衍射极限，另一种是通过先进的激光操控及其与材料相互作用来超越衍射极限。通过深入研究这些超分辨率激光加工方法的原理，本文主要探讨了激光特性操控、材料创新以及自适应光学、高速激光扫描设备和反馈系统的集成等方面的最新进展，这些都旨在提高加工分辨率并扩展其适用性。本文聚焦于研究前沿和工业应用，同时批判性地讨论了未来方向、潜在问题以及针对光源、光学系统、激光与物质相互作用和表面评估方法的可能解决方案。还突出了超分辨率激光加工的前景，强调其在各行各业中变革精密制造的潜力。

主要图表

图1. 超分辨率激光加工的两种方法。第一种方法是通过直接减小受衍射极限支配的聚焦激光点，可以通过以下方式实现：(a) 减小加工激光波长 λ 或 (b) 增大物镜数值孔径 NA。另一种方法是寻找超越衍射极限的方法/现象。(c) 超振荡聚焦方法可以获得比衍射极限更小的激光点。小图案可以通过以下方法实现：(d) 阈值效应、(e) 非线性吸收、(f) 激发发射耗尽（STED）、(g) 重叠消融产生的残余区域、(h) 甚至在几纳米内局部断裂形成颜色中心。其他现象也有可能将衍射极限转化为其他物理限制，例如：(i) 激光干涉产生的周期条纹、(j) 更小波长的表面、(k) 由流体动力不稳定性驱动的熔融材料流动、(l) 分子自组装、(m) 局部消融的近场增强。FZP：菲涅尔区板，SCL：超临界透镜，SOL：超振荡透镜，SPA/TPA：单光子/双光子吸收，LIPSS：激光诱导的周期性表面结构，EUV：极紫外光。

图2. 光刻技术数十年的发展。 (a) 通过开发先进的光源和成像系统，光刻分辨率得到了提高。插图展示了不同光源的聚焦系统。 (b) 通过增加光源的锥角 2А 或介质的折射率 n，可以提高聚焦系统的数值孔径（NA）。 (c) 凹面镜也被用来聚焦极紫外（EUV）光。 (d) 使用微球进行次级聚焦，在离焦点几波长的距离处可以进一步减小聚焦点。

图3.典型激光制造系统的可控参数。

图4. 激光加工中脉冲持续时间的管理以提高加工质量。 (a) 激光与物质相互作用过程中超快活动、热效应和结构效应的时间尺度。 (b) 纳秒激光钻孔时会产生严重的热影响区（HAZ），并导致表面质量差，因为其脉冲持续时间接近热扩散发生的时间。 (c) 通过将脉冲持续时间压缩到飞秒级，可以缩短激光与物质的相互作用时间，从而抑制钻孔的热影响区。 (d) 将飞秒脉冲分裂为多个子脉冲，可以通过去除激光烧蚀产生的碎屑来进一步改善加工质量。

图5. 激光在轴向方向上小光斑的时空调制。 (a) 用于激光波前空间调制的自适应光学元件示意图，以实现更好的聚焦。 (b) 超快激光加工钻石时，无（中）和有（右）像差修正的情况。 (c) 同时进行空间和时间聚焦（SSTF）的示意图，用于压缩飞秒脉冲。 (d) 空间聚焦的超快激光图像，具有（上）和不具有（下）时间聚焦。

图6. 获得超越衍射极限的聚焦光斑的几种方法。 (a) 额外的去激活/去除激光可以使激发分子经历受激辐射/去激活，相当于激发激光与去除激光之间的减法，这也被称为受激发射耗尽（STED）。 (b, c) 漩涡激光和 (e, f) 瓶形激光用于减少高斯光束曝光，分别减少曝光体积的径向和轴向尺寸。 (d, g) 同时，通过增加去除光的强度，可以进一步压缩曝光体素的相应尺寸。 (h) 特别设计的相位板可以实现光学超振荡，从而获得更小的光斑。 (i) 另一种方法是使用紧聚焦的漩涡激光，它可以创建一个子衍射束大小约为~0.43λ的光针。 (j) 两束激光以夹角 θ 入射，形成干涉条纹，条纹周期可以在大夹角 2θ 下超越衍射极限。

图7. 激光加工中发生的物理和化学过程。 (a) 激光腰部光子吸收示意图，(b, c) 其中可能发生单光子吸收（SPA）/双光子吸收（TPA）。

图8. 激光激发等离子体用于超分辨率激光加工。 (a) 色散曲线显示表面等离子体（SP）模式与入射光之间存在偏差，表明 kSP 和 k0 之间存在动量不匹配问题，需要额外的动量 G 来激发 SP 波（插图）。激光加工中的两种主要应用方法提供了 G： (b) 第一种方法是引入具有适当周期的光栅，以生成表面等离子体极化子（SPPs）波，(c) 另一种方法是利用金属纳米粒子的导电电子的振荡，称为局部表面等离子体共振（LSPR）。 (d~f) 掩模有助于激发 SP 进行纳米光栅或复杂纳米图案的制造。 (f) 中的图像分别是设计的掩模（上方）和在光刻胶上的显影图像（下方）。 (g~j) 另一种依赖于极化的周期性纳米图案，称为 LIPSS，可以在表面自组织生成。 (k~m) 同时，当激光照射到离子溶液中时，这些纳米图案可以自组织地生长，驱动自由金属离子（M+）还原为金属纳米粒子（M），然后形成与极化方向平行的层状结构。

图9. 激光诱导近场增强用于超分辨率激光加工。 (a,b) 微小的尖端或设计的等离子体透镜可以将激光聚焦到近场区域，用于超分辨率直接写入。 (c~e) 通过照射激光到微小的表面缺陷，也可以实现类似的近场增强，进而实现无掩模超分辨率去除或加成加工。 (f) 当光聚焦到材料内部进行多脉冲沉积时，表面近场增强也可以扩展到三维空间，这通常会将纳米空洞扩展为纳米平面。缺陷散射波与入射激光的干涉也会生成由纳米平面组成的体积纳米光栅。 (g) 当聚焦光斑足够小时，缺陷主要沿激光传播方向生长。 (h) 而使用大光斑时，材料内部的随机缺陷可以扩展为纳米空洞。

图10. 通过触发其他物理现象绕过衍射极限。 (a) 激光驱动的嵌段共聚物（BCP）分子自组装形成具有几十纳米或几纳米周期的层状结构。插图为结构的横截面。 (b) 激光照射下的熔融材料会在马兰戈尼效应的驱动下重新分布成纳米图案。 (c) 激光照射引起的不平衡热膨胀可能导致皱纹的形成。 (d) 光触发的光电沉积用于创建亚波长的层状结构。插图为对应的层状图案的俯视图。 (e) 利用额外步骤（如热解去除光刻胶或脱水去除水分）可以使打印结构缩小五倍或更多。 (f) 激光压印，通过激光和额外压力固化材料，这也是一种高可扩展性的方法，其分辨率依赖于模具精度，而不是光的衍射极限。

图11. 材料对照射激光的响应。 (a) 不同材料的激光吸收与其穿透深度 d 的关系。 (b) 在激光照射下，具有不同消光系数（κ = 0.01, 0.1, 0.8）的平面和纹理化钙钛矿的计算强度分布图，展示了材料熔化或升华烧蚀区域。 (c) CsPbBr3（κ ≈ 0.27）与Si（κ ≈ 0.04）在单次激光脉冲（λ = 515 nm）烧蚀下，随着能量密度升高，其表面烧蚀形貌的对比。 (d~f) 超快激光也可以雕刻透明材料内部，当在极强的光场下发生非线性吸收时，材料可以从一种晶体转变为另一种晶体或非晶态，反之亦然。

图12. 激光改性透明/半透明材料用于刻蚀辅助的3D雕刻。 (a) 激光改性材料通过湿法刻蚀去除的示意图。 (b, c) 湿法刻蚀辅助的3D激光雕刻/切割不同透明材料。像 (d) GaAs 和 (e) 硅这样的窄带隙材料对红外激光也具有透明性，但需要特定方法进行改性，如使用爆发模式激光或引发非线性反馈。

图13. 通用激光增材制造策略。 (a) 先驱墨水的激光打印在烧结后可以转化为目标结构化材料（陶瓷或玻璃）。 (b) 金属化合物前驱体分解为自由金属原子，随后聚集成纳米簇，最终聚合成金属纳米结构。 (c) 激光连接的骨架分子可以固定分散的目标材料，然后通过刻蚀或烧结去除，留下目标结构。 (d) 在目标材料（陶瓷或玻璃）上引入配体可以实现在激光照射下粒子之间的连接。 (e) 通过在激光打印的聚合物模板上沉积目标材料，然后去除模板，可以制备3D无机纳米结构。

图14. 提高激光束空间信息密度的典型方法。 (a) 图案化激光可以通过光学投影选择性地照射加工目标，从而提高单次曝光加工的效率。 (b) 图案化激光通过幅度/相位光学掩模传输后获得，包括 (c) 成形光阑、(d) 数字微镜装置（DMD）和 (e) 空间光调制器（SLM）。自适应光学元件（AOE）、DMD 和 SLM 允许逐像素操作激光波前，其中后者可以实现激光的相位控制 (f)，以改变不同的极化分布并将其过滤为图案化激光【40】或 (g) 操控衍射场。 (h) 多焦点也可用于并行加工，以减少制造时间。 (i) 衍射设备，如 (j) 计算机生成的全息图（CGH）加载到SLM或结构化为衍射光学元件（DOE）和 (k) 达曼光栅，将激光分成多个焦点光束。 (l) 激光干涉诱导的周期性阵列点。 (m, n) 从聚焦元件阵列（如微透镜、薄菲涅尔透镜、菲涅尔相位板或二元菲涅尔区板）生成的空间分布多焦点阵列。结构光可以携带丰富的 (o) 极化、(p) 相位和 (q) 幅度分布信息，用于在曝光区域创建复杂的结构加工。

图15. 超分辨率激光加工的时间调制方法。 (a) 通过使用色散设备可以获得爆发激光脉冲列或正/负啁啾脉冲。爆发模式激光还可以通过 (b) 双折射晶体或 (c) 法布里-佩罗（F-P）腔获得。 (d) 而马赫-泽恩德干涉仪则可以强有力地对激光进行时间调制，产生双重/多重激光脉冲列，具有更高的灵活性。BC：双折射晶体；BS：光束分离器；PBS：偏振光束分离器；F-P：法布里-佩罗腔；QWP：四分之一波片。

图16. 通过时间调制实现高效高质量激光加工。 (a) 超快激光产生的热量可以及时散发。 (b) 当脉冲的时间间隔缩短时，热量无法及时散发，这会导致热积累甚至损坏。 (c) GHz爆发模式激光可以引入烧蚀冷却现象，通过烧蚀碎屑带走热量，从而提高烧蚀效率。 (d) 当脉冲间隔时间处于飞秒/皮秒级时，随后的脉冲会加热电子，改变样品的瞬时属性，甚至导致不可逆损伤。 (e,f) LIPSS的生成需要多脉冲沉积，在大面积点扫描过程中需要连续沉积并跳跃。 (g) 能量调制的爆发脉冲列可以直接写入与极化相关的结构。 (h) 通过使用时间和空间调制的脉冲列，可以一步生成丰富的LIPSS。

图17. 高速扫描设置使激光加工目标能够在焦平面上快速移动。 (a) 工作台，(b) 振镜/多边形镜，和 (c) 声光偏转器（AOD）在激光加工过程中快速移动样品或激光光斑沿加工平面。

图18.快速焦点控制方法可实现沿光轴的快速聚焦移动。(a)为实现焦点的快速轴向移动，需配备额外设备来调节入射光束的会聚或发散状态。该装置包含以下组件：(b)镜组、(c)可调声梯度折射率（TAG）透镜、(d)光场光学元件（AOE）、(e)阿尔瓦雷斯透镜，以及这些组件的组合配置。

图19. 高精度激光加工策略。在激光加工过程中，选择合适的 (a) 扫描间距和 (b,c) 扫描轨迹可以提高制造结构的表面粗糙度和加工效率。 (d) 烧蚀碎屑和氧化物的存在会恶化并影响加工质量，通过 (e,f) 改变照射环境，(g,h) 改变加工类型，以及 (i) 引入牺牲层可以抑制甚至消除这些问题。 (j) 进一步的后处理方法，如抛光、刻蚀和热退火，可以进一步提高加工表面的质量。