λ/100, NPU и CNRS Франции совершают прорыв в области сверхбыстрой лазерной экстремальной нанообработки 

В области сверхбыстрой лазерной обработки материалов экстремальный контроль масштаба обработки всегда был одной из ключевых задач. С глубоким развитием технологии лазерной обработки наномасштабов проблема внутренних пределов лазерной обработки стала актуальной темой в академических кругах. Учитывая ограничение фокусного пятна лазера, вызванное эффектом дифракции, ключом к достижению супердифракционной нанообработки является использование индуцированных лазером самоорганизующихся рассеивателей для преобразования излучения дальнего поля лазера в компоненты ближнего поля. Таким образом, управление поведением лазеров в дальнем и ближнем полях, как ожидается, не только позволит преодолеть традиционный оптический дифракционный предел и достичь сверхбыстрой модификации материалов в наномасштабах, но и достичь беспрецедентного разрешения в несколько нанометров, открывая новые возможности для оптических средств достижения точности обработки на атомном уровне.

В статье «Экстремальная наноструктуризация стекла с использованием сверхбыстрого лазера с высоким аспектным отношением, превышающим λ/100», опубликованной в журнале Ultrafast Science, совместная группа профессора Чэн Гуанхуа из Северо-Западного политехнического университета и исследователя Развана Стояна из лаборатории Юбера Кюрьена Французского национального центра научных исследований представила революционную технологию лазерной обработки: размер обрабатываемого элемента может составлять менее 1/100 длины волны сверхбыстрых лазеров ближнего инфракрасного диапазона, достигая нанометрового уровня, и поддерживать этот размер на уровне десятков микрометров в глубину. Эта технология использует не узко сфокусированный длиннофокусный бездифракционный луч для абляции наноматериала в ближнем поле, тем самым создавая механизм резки наноматериала. Эта технология сверхбыстрой лазерной экстремальной нанообработки имеет разнообразные перспективы применения в двумерном и трехмерном измерениях, охватывая множество областей, таких как фотоника, квантовая информатика, сенсорные технологии и даже биомедицина.

Результаты соответствующего исследования были недавно опубликованы в журнале Science Partner Journal Ultrafast Science под названием «Экстремальное наноструктурирование стекла с высоким аспектным отношением сверхбыстрого лазера, превышающим λ/100».

Обзор исследования

Схематическая схема, иллюстрирующая принцип прямой записи рассеивателей нанопористой структуры и нанопроволок с шириной линии 10 нм на кварцевом стекле недифрагирующими сверхбыстрыми пучками Бесселя, представлена на рисунке 1. Полая наноструктура, индуцированная одиночным импульсом недифрагирующего сверхбыстрого пучка Бесселя, имеет высокий градиент показателя преломления, что может приводить к сильному рассеянию сверхбыстрого лазерного поля. Её ближнее поле состоит из двух основных компонентов: поверхностного компонента ближнего поля и внутреннего компонента ближнего поля со схожими характеристиками распределения. В направлении, перпендикулярном поляризации лазера, распределение интенсивности в ближнем поле демонстрирует усиление поля более чем на 50%. Однако в направлении, параллельном поляризации лазера, распределение интенсивности в ближнем поле демонстрирует значительное ослабление, что эффективно подавляет взаимодействие лазера с веществом в этом направлении. Эта асимметричная особенность распределения ближнего поля будет дополнительно усиливаться в процессе сканирования последовательности лазерных импульсов и, благодаря непрерывной эволюции, будет способствовать расширению структуры пор в направлении, перпендикулярном поляризации лазера. Таким образом, данный механизм демонстрирует возможность достижения экстремальной наномасштабной обработки посредством слабо сходящейся большой фокальной области.

Рисунок 1: (a) Поперечное сечение типичной нанопоры, индуцированной в плавленом кварце слабо сходящимся одиночным импульсным недифрагирующим пучком Гаусса-Бесселя. Эти структуры пор могут распространяться до задней поверхности образца. Эта структура пор может быть индуцирована в широком диапазоне углов конуса, длительностей импульсов и длин волн лазера. Это наноглубокое отверстие будет вызывать значительную модуляцию падающего лазерного поля в ближнем поле, так что интенсивность поля в области, прилегающей к наноотверстию, значительно увеличивается в направлении, перпендикулярном поляризации лазера, и эта особенность всегда существует вдоль направления глубины наноотверстия. (b) С помощью сверхбыстрого лазера с длиной волны 1030 нм, длительностью импульса 2 пс и частотой повторения 333 кГц была записана нанопроволока шириной около 15 нм со скоростью 1,2 мм/с.

Для изучения механизма формирования экстремально масштабных наноканавок под действием нескольких импульсов в данной работе была построена мультифизическая модель поля при кумулятивном воздействии нескольких импульсов. Таким образом, анализируются процессы выделения энергии и преобразования тепла при воздействии на материал импульсов различной временной последовательности в процессе перемещения фокуса. Из нелинейного распределения выделяемой лазерной энергии можно сделать вывод, что в области усиления ближнего поля, вызванного рассеянием на пористой структуре, локальная температура, вызванная выделением лазерной энергии, может достигать более 3000 К, что достаточно для возникновения явления, аналогичного лазерной поверхностной абляции на внутренней стенке наноглубокого отверстия. В результате, при накоплении нескольких импульсов, локальный фронт усиленного ближнего поля непрерывно разрушает внутреннюю стенку наноглубокого отверстия, формируя таким образом структуру наноглубоких канавок. В процессе формирования наноканавки ширина канавки имеет тенденцию к уменьшению с увеличением плотности линий импульсов осаждения. Поскольку эрозия и расширение наноканавки в основном происходят из переднего фронта усиленного ближнего поля, имеющего более высокую пространственную локальность, ширина наноглубокой канавки, записанной сверхбыстрым лазером, может быть даже меньше диаметра рассеивателя исходной структуры пор.

Рисунок 2: (a) Поверхностные и (b) глубинные микрофотографии наноканавки, записанной сверхбыстрым лазером на тыльной поверхности образца. При перемещении фокуса лазера перпендикулярно направлению поляризации лазера, (c) нелинейный лазерный поток и (d) распределение температуры тыльной поверхности образца, подвергаемые воздействию импульсов различной временной последовательности. (e) Нелинейное распределение лазерного потока по глубине при воздействии сверхбыстрого лазера на наноглубокое отверстие.