超快激光时空整形微纳加工新原理与方法

在超快激光制造过程中，材料对激光能量的吸收最初大都是由电子作为载体来完成的。超快激光脉宽是电子-晶格的热传导时间（10-12 ~10-10 s）的数千分之一至数百分之一。因此，在飞秒脉冲辐照期间，晶格运动可以忽略，只需考虑电子状态在超快光场下的变化。飞秒激光脉冲对材料的辐照时间虽然非常短（飞秒量级），但其后的所有加工过程（秒量级）均决定于飞秒激光与电子相互作用，所以必须调控局部瞬时电子状态[144]。以往制造基础研究的观测、调控均局限于原子、分子及以上层面，所面临的核心科学问题是：能否调控局部瞬时电子动态。而超快激光技术的迅速发展为该科学问题的解决提供了可行性。近20年内超快激光技术已获3项诺贝尔奖，共计产生5位诺贝尔奖得主。例如，1999年的诺贝尔化学奖得主Ahmed H. Zewail教授以飞秒激光作为工具制成了世界上最快的照相机，观测到了化学反应中电子弛豫变化过程，有望使制造新原理/新方法获得突破[145]。

受Zewail教授工作的启迪，北京理工大学研究团队提出了电子动态调控加工新原理[144]：通过设计超快激光时空分布以调节激光与电子的相互作用过程，实现对局部瞬时电子动态（密度/温度/激发态分布等）的主动调控，从而调控材料局部瞬时特性（反射率/折射率/电导率等），进而调控材料相变及成形、成性过程，实现全新的目标制造方法，以提高加工质量、效率、精度和一致性，如图6.1。

图6.1 飞秒激光时空整形加工新原理/新方法

利用等离子体量子模型、改进双温模型、分子动力学模型、第一性原理计算等研究了超快激光与材料相互作用机理，预测通过超快激光时空整形可调控电子激发/电离/复合过程、局部瞬时材料特性、材料相变过程和最终成形、成性过程[144, 146-148]。首次预测了飞秒激光烧蚀形状及表面纹理结构，并成功预测了存在纳米级的超衍射极限稳定加工深度区域[149-152]。(www.xing528.com)

基于上述电子动态调控加工新原理，对于飞秒激光在时域、空域整形，首次实现了制造中对局部瞬时电子动态的主动调控，大幅提高了加工质量、精度、效率、深径比等极限制造能力[144, 153, 154]：①提出采用飞秒脉冲序列调控自由电子密度与光子吸收效率，控制材料结构改性程度，刻蚀效率提高37倍，如图6.2（a）；②提出空间整形调控局部瞬时电子动态的超衍射极限加工新方法，加工的纳米线稳定性好、易于图案化，且线宽能达到波长的1/14，如图6.2（b）；③通过时空整形，优化和调节离化电子密度分布, 微孔加工深径比极限增加100倍（1000∶1，1.5 μm），效率提高56倍，如图6.2（c）；④基于激光时空整形微纳加工新方法，结合DMD技术，实现了大面积、高精度、跨尺度微纳制造，实现线宽分辨力50 nm，线宽跨越152 nm到140 mm，如图6.2（d）。

图6.2 超快激光时空整形微纳加工新方法

（a） 时间整形提高刻蚀效率；（b） 空间整形提高加工精度；（c） 时空整形提高微孔深径比极限；（d）大面积、高精度、跨尺度微纳加工

超快激光电子动态调控加工新方法受到国际广泛关注，相关研究工作获70余位各国院士/会士（含诺贝尔奖得主）在Science、Nature等期刊的大幅正面评价。例如， OSA/SPIE会士、加拿大多伦多大学P. Herman教授在其特邀综述论文中六处引用制造新方法，并将所提制造新方法列为“The best reported femtosecond laser results（报道的飞秒激光最好的加工结果之一）”。OSA/SPIE会士日本理化学研究所Koji Sugioka教授在Nanophotonics大幅评价该新方法，称新方法成功地加工了“以前无法实现（previously inaccessible）”的3D微纳米结构。Laser Focus World发表“整形飞秒激光改变电子动态提高超快激光加工质量”专题来评述该新方法：“获得了令人震撼（stunning）的成果”。该研究团队受邀在Nature旗下Light: Sci & Appl发表26页题为“飞秒激光时空整形的电子动态调控微纳加工新方法：理论、方法、观测与应用”特邀专题综述，总结了新方法近10年的主要科研进展，并持续1个月余将其作为期刊网站首页的唯一亮点。美国科学促进会及其会刊Science的新闻平台以“Femtosecond laser fabrication：realizing dynamic control of electrons（飞秒激光实现电子动态控制）”为题，对新方法进行了专题报道，并称新方法“对高端制造、材料处理、化学反应控制可能带来革命性的贡献 （revolutionary contribution）”，并获Phys. org等10余家国际主流科技媒体转载。