通过在焦点处创建高纯度纵向场，在远场800 nm波长的空气中实现分辨率为10 nm的激光材料加工( 二 )

图4:不同偏振状态的环形光束对蓝宝石激光烧蚀的影响比较。 a 0.95-0.90 NA环形高斯光束的强度分布， b单脉冲聚焦激光烧蚀抛光蓝宝石(插图显示×2放大视图，对比度增加) ， c归一化焦点强度分布(光束强度截面建模)与方位、径向和线偏振(分别从上到下) 。在最后一组实验中，纵向场进一步增强。为了获得高质量、高纯度的纵向场，采用了SLM-1诱导的氧化函数和SLM-2的球差校正。利用光束轮廓仪和应用于SLM-2上的计算机生成全息图在物镜前测量的准直激光束强度分布分别如图5a、b所示。

图5:优化的纵向激光束钻孔对蓝宝石的影响，实现了高深宽比的10-30 nm孔尺寸。 a在物镜前使用光束轮廓仪测量基于衰减函数的径向偏振环形光束的强度分布， b球面像差校正的CGH c 0.95-0.90 NA物镜聚焦径向偏振的光场建模，脉冲能量逐渐降低的径向偏振激光束在抛光蓝宝石上单脉冲烧蚀的d-h效应， i和j直径为30和20 nm孔的截面， k没有锥孔的横截面直径30和500 nm l的横截面显示直径8.7 nm扩展深度超过700海里m与积极的锥形孔的横截面直径下降到15.1 nm底部锥 N为锥度顶部直径小于9.4 nm的负锥度截面。飞秒表面烧蚀可以通过非线性相互作用(例如多光子电离(MPI))产生明显低于衍射极限的陨石坑大小。用800 nm波长(~1.55 eV)的激光束，需要7个光子才能穿过蓝宝石的~10 eV带隙。这意味着激光烧蚀将被限制在焦体积，其强度高于7光子电离的阈值。因此，理论上， MPI可以解释图5中直径<60 nm的陨石坑。在这里，比较图3h 4b中间的径向极化得到的结果是有趣的。虽然这两种材料都是在相似的激光照射参数下产生的，但两种材料的材料特性非常不同，这将导致人们期望显著不同的结果。蓝宝石是一种宽带隙材料，因此非线性材料烧蚀机制预计将占主导地位，允许产生低于光学衍射极限的烧蚀特征。另一方面，铜是一种自由电子很容易吸收激光脉冲能量而没有非线性效应的金属，这使得产生明显低于光学衍射极限的烧蚀坑变得更加困难。然而，在210 ~ 260 nJ脉冲能量的纵向场照射下，这两种材料的消融直径都在30 ~ 40 nm左右。因此，传统的激光相互作用不太可能解释图5中的烧蚀坑。这使研究人员相信相互作用是由一种特定于纵向场的机制主导的，而这种机制不受材料性质(如带隙)的显著影响。这种相互作用的关键驱动因素是纵向场的高纯度。在研究人员的实验中，这是使用两个空间光调制器创建的。第一个SLM诱导了一个高纯度的准直薄环形光束，第二个SLM校正了球差。将具有径向偏振的激光束用0.95-0.90 NA物镜聚焦在材料表面。只有在这样的结构下，才能产生高纯度的纵向场。研究人员的研究展示了迄今为止最高的纵向场纯度(94.7%) ，尽管从图6的插图中可以看出，不能达到100%的纵向场纯度。图5中的结果表明，纵向场可以实现分辨率为10 nm的激光加工。

图6:纵向场生成示意图。图6给出了在焦平面上产生的高纯度纵向场。这是基于同时使用衍射控象法程序(阻挡低NA的激光束，只允许高NA部分通过，这对于高纯度纵向场的产生至关重要，即使脉冲能量效率很低)和球差校正(纠正纵向方向上的激光束焦点，确保在高NA下准直的环形光束聚焦在同一平面上)的实验配置。实验装置如图7所示。激光源是相干天秤座钛:蓝宝石(100 fs脉冲持续时间， 800 nm波长， 1 kHz重复频率) 。纵向场的产生原理如图8所示。将原线性偏振高斯光束整形成环形，再进行衰变校正，再进行径向偏振，最后用0.95 NA物镜聚焦。

图7:实验装置的图示。

图8:显示纵向场产生原理的三维图。本文采用0.95 NA物镜进行显微镜观察，罩玻璃厚度为0.9 mm 。如果没有覆盖玻璃，激光束将聚焦在一个不均匀的范围，而不是一个点。光束聚焦原理图如图9所示。

图9:球差效应及其校正在激光束聚焦中的作用示意图。 a有盖玻璃聚焦高NA透镜的比较， b在空气中聚焦有球差， c在空气中聚焦无球差。为了量化和校正球差，采用了一种基于光束整形技术和径向处理策略的方法。首先，研究人员使用衍射控象法程序将准直的激光束塑造成不同的直径，这是指0.95 NA物镜的不同NA 。如图10所示，从左到右分别为0.30-0.00 NA、0.60-0.30 NA、0.95-0.60 NA 。

图10:原始激光束的光束整形， NA从左到右分别为0.30-0.00、0.60-0.30、0.95-0.60 。研究人员开发了一种处理策略来可视化和量化球差，并通过实验验证其正确的补偿。 a中编号为1、2和3的硅表面刻写了三个同心径向图案，其中激光束的NA衰变函数分别为0.30-0.00、0.60-0.30和0.95-0.60 。 c d显示了基于球差校正逐渐优化的焦平面位置。 b NA为0.30-0.00、0.60-0.30和0.95-0.60的激光束聚焦在不同的焦平面上(扫描速度为1 mm/s ，测量的脉冲能量分别为60、92和110 nJ)在图11d中可以发现， 0.30-0.00 NA、0.60-0.30 NA和0.95-0.60 NA的焦点位置都在同一平面内，从而消除了球差。

通过在焦点处创建高纯度纵向场，在远场800 nm波长的空气中实现分辨率为10 nm的激光材料加工( 二 )

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