6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

用于飞秒激光纳米加工的TiO_2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

利用纳米粒子辅助对飞秒激光能量进行空间局域化,使其在基底表面诱导产生纳米尺度的近场增强,这对超衍射极限微结构加工具有重要意义.目前对于粒子阵列诱导飞秒激光纳米孔加工的研究仅限于金属Au粒子及低折射率聚苯乙烯介电粒子等,本文提出并开展了应用高折射率TiO_2介电粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强从而进行飞秒激光超衍射纳米孔加工的研究.对TiO_2介电粒子阵列在Si,Pt及SiO_2表面的近场强度分布进行了数值模拟,研究其基底表面近场增强的规律及物理过程.研究结果发现,使用硅基底时,阵列与单一TiO_2球形粒子相比其近场增强仅下降约30%;相对于入射激光强度而言,在直径约为100nm的空间范围内获得140倍的近场增强,这一现象可用于百纳米孔的激光加工.同时在其他典型基底的理论计算结果中也表明,几乎在所有金属及介电材料表面均可以实现良好的百纳米空间范围内的近场增强,并且具有近场随着基底折射率变大而增强的规律.这些现象的产生归因于TiO_2粒子中磁四极振荡产生的激光前向场增强及粒子与基底的耦合作用.进一步引入镜像电荷模型对基底光学参数对其表面近场增强的影响规律进行了分析和解释.本文的模拟结果对飞秒激光近场超衍射极限纳米加工的应用有着重要的意义.     

激光全息光刻技术在微纳光子结构制备中的应用进展

微纳光子结构研究随着光子学、半导体物理学及微加工技术的发展而逐渐蓬勃开展,并在其结构、理论、制备技术等方面取得了系列进展。受限于目前的微加工技术水平,要成功制备大尺度、高质量的光子材料仍然存在着一定挑战。激光全息光刻技术作为一种简便快捷的微结构制作技术已经发展成为一种经济快速制作大面积微纳超材料及光子晶体模板的重要手段。介绍了激光全息光刻技术的原理,详细阐述了该技术在制作三维面心立方、木堆积结构、金刚石结构光子晶体以及光学周期类准晶、手性超材料、周期性缺陷结构等微纳光子结构中的应用研究进展。激光全息光刻技术成功制作微纳光子结构为光子材料在更多领域的广泛应用提供了基础和方法。     

基于整形飞秒激光脉冲的三维微纳制备

飞秒激光脉冲加工具有热效应小、加工精度突破衍射极限、三维内部加工能力等特性,在微纳制备领域独具优势。综述了利用飞秒激光脉冲整形技术结合飞秒激光三维直写进行透明介质中微纳制备的最新进展,这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用。     

超分辨近场结构的研究进展及其应用

超分辨近场结构(super-resolution near-field structure,super-RENS)由于突破了传统远场光学衍射极限的限制,在纳米光储存、微纳米加工、基于局域表面等离子体增强的生物传感器方面展现出良好的应用前景,因此吸引了众多研究者的目光.文章简要介绍了超分辨近场结构的发展历程、相应的工作机理、最新研究动态及其在超高密度光存储、近场光刻中的应用状况,并对未来的工作重点做出展望.     

飞秒激光直写偏振转换器件和几何相位器件(特邀)

光学器件的微型化和集成化是当前研究的热点,其中利用微纳结构实现局域电磁改性的超构光学更是引人关注。本文从微纳结构的制备出发,总结了利用超衍射精密加工的飞秒激光直写技术,制备偏振转换器件和几何相位器件的工作。介绍了微纳结构改性的物理机制,飞秒激光直写光刻胶、飞秒激光烧蚀金属薄膜、飞秒激光诱导纳米光栅等手段在偏振转换器件和几何相位器件制备方面的进展,展望了飞秒激光微纳加工技术在超构光学器件制备方面的挑战。     

光谱测量在激光加工在线监测上的应用研究进展

随着现代工业的发展,复杂加工环境和对象、大动态范围、高效率和高精度激光加工需求愈加迫切,在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径。与此同时,激光与物质相互作用时可产生与加工参数、加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化,在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态,故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在线监测手段。实际上,光谱测量已应用于激光焊接、激光切割和钻孔、激光清洗打磨、微纳结构制备和增材制造等几乎所有激光加工工艺,具有分辨率高和光谱信息丰富等特点。分析和总结了用于激光加工在线监测的光谱测量技术,包括等离子体光谱、反射光光谱和非线性光信号光谱等。基于单脉冲和多脉冲激光加工激发等离子体信号的光谱测量,除实现化学成分定性和定量监测外,还可以根据特征谱线相对强度变化实时调焦,根据等离子体温度监测和调控激光加工过程中与热效应相关的物理过程;作为一种无损伤且工作距离较远的监测方法,反射光光谱监测可通过测量特定波段反射光信号光谱积分功率、特征谱线和波段位置和强度来有效监测材料表面清洁度、损伤、色度和成分变化等;而在特定条件下产生的谐波信号、荧光信号和拉曼信号等非线性光信号,尽管应用场景有限,但提供了一种实现成分、焦距和材料损伤等监测的新方法。进而,展望了光谱测量在激光加工在线监测上应用的未来发展趋势,包括多种光信号的光谱协同监测与光、声、温度及图像等多种信号测量的复合监测。同时,人工智能技术与在线监测和激光加工的深入结合将进一步推动激光加工技术的智能化发展。     

飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视．在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内，从而可以获得极高的分辨率和加工精度。文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展，分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍，阐述了各自的物理机制．最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨。     

飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列

基于飞秒激光光刻技术和氢氟酸对光学玻璃的刻蚀,在K9光学玻璃表面制作了凹面微透镜阵列,并且可以以此为模板实现凸微透镜阵列的大量复制.用相位对比显微镜和扫描电子显微镜分析了微透镜阵列的表面轮廓,测试了微透镜阵列的光学衍射特征.该方法简单、透镜参量可控,制作的微透镜阵列能够用于分光、光束匀化、并行光刻等强激光领域.     

突破衍射极限的超级透镜技术及其应用研究

基于超材料的超级透镜能让携带物体高频信息的倏逝波分量参与成像,从而实现对小于半个工作波长的超精细结构的分辨。分析了几种典型的超透镜,如近场、远场和双曲超透镜的工作原理和研究进展,并对超透镜技术在实时生物成像、高密度光存贮、光刻等方面的应用前景进行了分析和总结。     

银层超透镜光学传递函数的研究

银层超透镜对基于表面等离子体激元的超分辨光刻、 成像和生物传感有着重要作用.利用银层超透镜的光学传递函数详 细研究了银板的表面等离子体激元共振和成像特性, 并利用时域有限差分法计算模拟了银层超透镜的成像过程, 得到与理论推导公式相符合的结果, 证明了光学传递函数的可靠性, 为基于表面等离子体激元的传感器件、 超分辨成像以及辅助增强干涉光刻提供了快速参数优化方法.     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

Near-Field Optical Transfer Function for Far-Field Super-Resolution Imaging

The far-field superlens based on surface plasmon polaritons （SPP） has shown great application potential, but it is difficult and time-consuming to reconstruct the far-field image. We derive a near-field optical transfer function （NOTF） of a silver slab and analyse its validity so that accurate information of nano-seale object in the near-field can be computed rapidly. The NOTF is helpful not only for analysing the super-resolution imaging process in far-field, but also for providing a track to describe the transmission of optical information from near-field to far-field by using the optical transfer functions theorv only.     

A method for uniform demagnification imaging beyond the diffraction limit: cascaded planar hyperlens

Metamaterial composed of multistacked metal and dielectric films provides the access to ray tracing in subwavelength regions and to form a variety of transformation optical devices for manipulating light beyond the diffraction limit, such as hyperlens and cloak. In this paper, this method is employed to design planar hyperlens for demagnification imaging lithography. Variant ray route configurations are considered and compared for the sake of imaging quality as well as device structure complexity. It is found that specifically designed trajectory route from the object plane to the image plane help to yield imaging devices with uniform demagnification ratio and improved image quality. Then multiple similar imaging devices could be cascaded for further demagnification and reduce of structure complexity from the viewpoint of application. The imaging results with about 1/23 wavelength (16 nm) half-pitch resolution in the measure of electric field intensity are demonstrated with numerical simulations. Also presented are the imaging characteristic analyses including light intensity, demagnification ratio and resolution.     

The role of propagating and evanescent waves in scanning near-field optical microscopy

Theoretical study on the image formation in scanning near-field optical microscopy is carried out in the framework of the direct moment method. Information brought, respectively, by the propagating and evanescent components in the optical near field that is collected by a scanning fiber tip with a sub-wavelength aperture is numerically and systematically analyzed in the light of the resolution achieved by the microscope. The analyses reveal that resolutions beyond the diffraction limit can be achieved even in the absence of the evanescent waves. That is, it is incorrect or at least incomplete to believe that a microscope that collects only the propagating waves is limited by the diffraction. Our studies show that a scanning near-field optical microscope can achieve resolutions beyond the diffraction limit by collecting only the propagating waves.     

Three‐dimensional optical laser lithography beyond the diffraction limit

Direct laser writing has become a versatile and routine tool for the mask‐free fabrication of polymer structures with lateral linewidths down to less than 100 nm. In contrast to its planar counterpart, electron‐beam lithography, direct laser writing also allows for the making of three‐dimensional structures. However, its spatial resolution has been restricted by diffraction. Clearly, linewidths and resolutions on the scale of few tens of nanometers and below are highly desirable for various applications in nanotechnology. In visible‐light far‐field fluorescence microscopy, the concept of stimulated emission depletion (STED) introduced in 1994 has led to spectacular record resolutions down to 5.6 nm in 2009. This review addresses approaches aiming at translating this success in optical microscopy to optical lithography. After explaining basic principles and limitations, possible depletion mechanisms and recent lithography experiments by various groups are summarized. Today, Abbe's diffraction barrier as well as the generalized two‐photon Sparrow criterion have been broken in far‐field optical lithography. For further future progress in resolution, the development of novel tailored photoresists in combination with attractive laser sources is of utmost importance.     

超分辨近场结构光盘读出信号的计算模型

给出了超分辨近场结构光盘(Super RENS)读出信号的计算模型。以时域有限差分法为基础,结合高斯光束矢量模型和衍射方法,通过计算得到了物镜出瞳上的读出信号。计算结果表明,Super RENS具有超衍射极限的空间分辨能力,并且其读出信号的特征完全不同于传统光盘。