超快科学 | 飞秒激光先进精密制造：从微观走向纳观

图1. 典型的飞秒激光精密加工机理及其应用。

在微米尺度下，包括激光诱导等离子辅助刻蚀（laser induced plasma assisted ablation，LIPAA），双光子吸收（TWo-photons absorption）等，都被广泛应用于各种材料的二维及三维微制造中。而在亚微米尺度，微球阵列（micro-lens array）飞秒加工，飞秒激光干涉光刻，以及激光诱导表面周期性微结构等方法，都适用于快速，大面积的周期性表面亚微米图案化。对于纳米加工，近场光学工具的应用，包括近场扫描显微镜（near field scanning optical microscope），原子力显微镜，微球等，可以在材料表面获得较高的分辨率（10~100 nm）的结构，但这些方法都却受限于其较低的加工效率及其对材料表面平整度的苛刻要求。因此，如何实现远场的纳米制造是现今飞秒激光加工最重要的目标之一。包括受激发射损耗（STED），多光子吸收（multiple-photon absorption），以及双光束飞秒加工等，都能在材料表面获得<50 nm的结构。而洪明辉院士团队最近的研究表明，在远场和大气环境下的混合飞秒激光加工，可以直接在硅表面上制造~15 nm的特征尺寸。尽管这个独特实验结果背后所蕴含的复杂物理机制仍然需要更清晰地分析研究，但通过进一步精细调制实验装置和激光加工参数，极有可能使激光纳米制造在远场条件下的分辨率达到~10 nm的水平。

图2.微米，亚微米，及纳米尺度的飞秒精密制造

最后，洪明辉院士团队就目前飞秒激光精密制造的分辨率从微尺度向纳尺度的前进过程中的挑战，以及未来的发展方向进行了总结和展望。其中如何实现更小的热影响区，如何确保足够高的加工速度来满足工业需求，以及如何在远场范围进行激光纳米制造等，都是当前飞秒激光精密制造所关注并待解决的问题。

Fig. 3 飞秒激光精密制造所面临的挑战及展望

仅仅几十年的时间，从出现到如今的广泛应用，飞秒激光精密制造方法已经被人们深刻的意识到了其重要的价值。在未来的发展中，飞秒激光精密制造还需要进一步的优化和研究，才能使之符合现代工业体系下的要求，从而实现快速，可控的大面积微纳精密制造。