长三角G60激光同盟导读
据悉，曼彻斯特大学研究人员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的激光质料加工。
在半导体和数据存储装备制造中，人们希望以低成本快速在目的质料上生产出具有高深宽比小于30纳米的特征尺寸。然而，光学衍射限制了最小的聚焦激光束直径约为激光波长的一半(λ/2)。现有可实现的纳米尺度制造的方法紧张是基于昂贵的极紫外(EUV)技能，在衍射极限内。
在本文中，研究人员展示了一种新方法，在远场800 nm左右的红外激光波长的空气中，实现质料加工分辨率降至10 nm (λ/80)，远远超过光学衍射极限。天生纯度为94.7%的高质量纵向场来实现这种超分辨率。通过实行，比较了不同范例光场在抛光硅、铜和蓝宝石上产生的烧蚀坑。直径10-30纳米的孔在蓝宝石上产生，深宽比超过16，零锥度，单脉冲100-120 nJ脉冲能量。单脉冲激光照射下产生的50 nm以下高展弦比孔洞在激光加工中很少见，这表明了一种新的质料随纵向场而被去除的机制。实行隔断(镜头到目的)约170m，因此质料加工在远场。锥形纳米孔也可以通过调解镜头到目的隔断来产生。
在本文中，研究人员通过实行证明了具有前所未有的高纯度(94.7%)的纵向飞秒激光场(即平行于光轴)及其与抛光铜和蓝宝石的相互作用。采用800 nm波长飞秒激光光源和一对空间光调制器(SLMs)在双4-f光学部署中开发了一种新的光学装置，以定制激光光场，实现高质量和均匀的光束，以实现衍射控象法程序(即从高斯光束天生准直窄环形光束)，并校正0.95 NA物镜的球差。实行包罗利用0.75 NA的非平面透镜聚焦光束以确认纵向场的存在，并利用0.95 NA的透镜来了解聚焦纵向场的特征。为了了解纵向场对激光质料加工的影响，比较了一些偏振状态、光束强度分布和波前烧蚀剖面。给出了纵向场的理论建模和讨论。质料加工的分辨率(10纳米，即λ/80)远远超出远场衍射极限在抛光蓝宝石在空气中演示。
在第一组实行中，采用0.75 NA具有衍射控象法程序的透镜举行纵向场的确认。研究人员用0.75 NA的非平面物镜聚焦线性、径向和方位偏振的激光束。光束整形系统利用第一个SLM(以下简称SLM-1)来诱导衰变函数，第二个SLM(以下简称SLM-2)用作反射镜。
图1:0.75 NA物镜下的激光强度分布和质料加工效果。a物镜前的激光束强度剖面。衍射控象法程序设置为0.75-0.00 NA(全孔径照明，在顶部)，0.75-0.35 NA(厚环形照明，中间)，0.75-0.65 NA(薄环形照明，底部)。b, d, f在衍射控象法程序下，用激光光束的方位、径向和线偏振对抛光硅举行单脉冲烧蚀。c, e, g在衍射控象法程序下，具有方位极化、径向极化和线性极化的聚焦光束强度截面的对应模拟结果。b、d、f中的赤色符号表示不同偏振的E场方向。
在第二组实行中，纵向场由0.95 NA球面像差校正透镜产生，以表征其与硅和铜的相互作用。
图2:不同脉冲能量下单脉冲激光烧蚀硅的方位极化效应和种族极化效应比较。全口径高斯光束单脉冲烧蚀抛光硅，在脉冲能量为a 210 nJ, b 120 nJ和c 30 nJ的条件下，利用0.95 NA物镜。d方向极化和径向极化的光束强度截面的相对模型。
接下来还举行了基于SLM-1的激光束三维强度分布整形。如图3a、d、g所示，将准直后的激光束强度分布设置为全口径高斯光束、全口径平顶光束和0.95-0.90 NA环形光束，并用光束轮廓仪举行验证。
图3:光束轮廓和偏振状态对激光烧蚀铜的影响比较。a, d, g准直激光光束强度截面，形状为0.95-0.00 NA高斯光束、0.95-0.00 NA平顶光束和0.95-0.90 NA环形光束，用光束轮廓仪检测。b, c, e, f, h, i单脉冲烧蚀对抛光铜的影响以及径向和方位极化下相对焦点点建模的结果。
在第三组实行中，采用腐蚀函数加强了蓝宝石烧蚀的纵向场，并采用与之前相同的方法分析了工艺特性。利用基于SLM-1的光束衰减函数天生薄环形准直光束，可以在肯定范围内减小球差。小孔的产生证实了纵向场的上风，与方位极化和线极化产生的横向场相比，纵向场具有更清晰的强度分布或更好的分辨率。值得一提的是，尽管纵向场的吸收服从低于横向场的吸收服从，但通过利用衍射控象法程序，大部分位于高斯中心地区的激光束被移除，从而几乎没有能量用于横向场的产生，这是产生亚衍射极限制造的高纯度纵向场的关键因素。
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(插图表现×2放大视图，对比度增长)，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)。
在最后一组实行中，纵向场进一步加强。为了得到高质量、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上的盘算机天生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在物镜前利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的横截面表现直径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，必要7个光子才华穿过蓝宝石的~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可以表明图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。
固然这两种质料都是在相似的激光照射参数下产生的，但两种质料的质料特性非常不同，这将导致人们盼望明显不同的结果。蓝宝石是一种宽带隙质料，因此非线性质料烧蚀机制预计将占主导职位，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，这两种质料的溶解直径都在30 ~ 40 nm左右。因此，传统的激光相互作用不太大概表明图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，而这种机制不受质料性子(如带隙)的明显影响。这种相互作用的关键驱动因素是纵向场的高纯度。在研究人员的实行中，这是利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物镜聚焦在质料表面。只有在如许的结构下，才华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:纵向场天生示意图。
图6给出了在焦平面上产生的高纯度纵向场。这是基于同时利用衍射控象法程序(拦截低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紧张，纵然脉冲能量服从很低)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)的实行配置。
实行装置如图7所示。激光源是相干天秤座钛:蓝宝石(100 fs脉冲连续时间，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，再举行衰变校正，再举行径向偏振，最后用0.95 NA物镜聚焦。
图7:实行装置的图示。
图8:表现纵向场产生原理的三维图。
本文采用0.95 NA物镜举行显微镜观察，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能和径向处置处罚计谋的方法。起首，研究人员利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0.0-0.00 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置处罚计谋来可视化和量化球差，并通过实行验证其正确的补偿。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表现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。
图11:量化和修正球差的激光束处置处罚计谋。
为了得到高质量、高纯度的纵向场，不光必要消除球差，而且还必要优化强度分布。当激光束在光束路径中经过云云多的光学元件反射或透射时，光束模式会逐渐变差。图12为激光束通过光束轮廓仪照射到物镜孔径之前检测到的准直原始高斯光束与成形高斯光束的对比图。
图12:光束整形前后激光光束轮廓的实行测量结果。准直a、b原始全口径高斯光束、c、d原始环形高斯光束、e、f形全口径高斯光束、g、h形环形高斯光束的比较。
文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00962-x
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