高深寬比結構的超快激光加工技術

    超快激光加工技術已成為材料精密加工的關鍵技術之一。其卓越的高深寬比加工能力，能夠滿足眾多高端應用場景對材料性能和結構的嚴苛要求，為微納制造領域帶來了前所未有的機遇。

    貝塞爾光束原理與作用

    貝塞爾光束是一種準無衍射光束，其光強分布在橫截面上呈現同心環結構，中心有一個高強度亮斑，由多個同軸環包圍。這種光束的產生通常通過將高斯光束通過圓錐透鏡實現。貝塞爾光束在傳播過程中幾乎不發生衍射，光束形狀和光強分布穩定，還能在遇到障礙物時自重構，繼續以原始形式傳播?；谶@些特性，貝塞爾光束在光通信、高分辨率光學成像、先進材料加工和納米光刻等領域展現出巨大應用潛力。

    在超快激光加工中，貝塞爾光束的優勢尤為突出。由于其無衍射傳輸的特性，能夠避免傳統激光加工中因衍射效應導致的聚焦限制，克服衍射極限，實現超越光學分辨率極限的結構特征。貝塞爾光束中心光斑直徑小，能量在長距離傳輸中保持穩定，因此特別適用于加工高深寬比結構，能夠實現傳統激光加工難以達到的加工精度和質量。

    貝塞爾光束在高深寬比加工中的應用

    2001年，首份關于使用超短脈沖貝塞爾光束進行光學損傷的研究報告發表，開啟了貝塞爾光束在超快激光材料加工領域的新篇章。此后，研究不斷取得突破。例如，單個飛秒貝塞爾光束成功在玻璃中制造出直徑為43μm、深度為400nm的通孔，以及寬度為230nm、間距為1.6μm的通道陣列，這在當時是飛秒激光微/納米加工的重大進步。Xie等人通過波前整形控制飛秒激光的局部電子密度，利用單個飛秒貝塞爾光束在聚甲基丙烯酸甲酯中實現了縱橫比高達330的微孔。Bhuyan等人將超快貝塞爾激光加工的縱橫比推向了超過103的新高度。Mitra等人則證明了使用單個1mJ高能貝塞爾脈沖在硼硅酸鹽玻璃中形成縱橫比高達1200的微通道的可行性。Yu等人通過優化能量沉積策略，使用單個飛秒激光脈沖實現了樣品的有效的同時表面和體改性，制造出最小特征尺寸為18nm、縱橫比超過200的納米通道。這些研究成果不僅推動了超快激光加工技術的發展，也為高深寬比微結構加工提供了新的思路和方法。

    貝塞爾光束加工的局限性與改進

    盡管貝塞爾光束在高深寬比加工中表現出色，但也存在一些局限性。首先，貝塞爾光束加工的微結構通常呈現圓錐形狀，這在需要嚴格控制結構形狀的應用場景中可能會受到限制。其次，貝塞爾光束具有有限的焦深和能量。當加工深度超過焦深范圍時，光束會逐漸失去聚焦狀態，導致能量密度下降，加工質量變差。此外，旁瓣燒蝕也是實際應用中的一大挑戰，旁瓣攜帶的部分能量可能會導致不希望的燒蝕，影響微通道的質量。

    為了克服這些局限性，研究人員對貝塞爾光束進行了整形和調制。早期使用單個環形狹縫或孔徑產生貝塞爾光束的方法，因能量利用效率低而不適用于大多數加工場景。后來，軸棱錐作為更通用的解決方案被廣泛使用，通常需要與其他光學器件如空間濾波器配合。目前，將軸棱錐透鏡與掩模相結合的調制方法已成為一種簡單且高效的技術。例如，Mulle等人通過在軸棱錐透鏡后面放置可替換環形孔徑，靈活地產生分段貝塞爾光束，實現了對分段貝塞爾光束的產生位置和長度的控制。此外，研究人員還引入了環形濾波孔徑截斷高斯-貝塞爾光束技術來調節聚焦深度，提高了加工精度。

    類貝塞爾光束的應用與研究

    理想的貝塞爾光束理論上攜帶無限大的能量，這在實際中是不可能實現的。因此，研究人員在有限的空間范圍內通過某些方法獲得性質非常相似的類貝塞爾光束。類貝塞爾光束繼承了貝塞爾光束的自旋角動量和無衍射等基本特性，并通過創新的光學設計和加工技術，對類貝塞爾光束進行了改進或擴展，產生或優化了新的性質。

    例如，空間光調制器作為一種高度集成和靈活的可編程數字器件，可以實時調整光束形狀和參數。Kong等人通過一系列推導，推導出類貝塞爾光束的強度分布，并采用空間光調制器加載簡化的弧軸棱錐相位圖案，產生類貝塞爾光束。實驗表明，類貝塞爾光束在軸上強度變化較慢，具有可調的非衍射長度和增強的燒蝕微孔的效率。在石英玻璃燒蝕實驗中，研究人員確定了類貝塞爾光束在特定條件下的最佳工作范圍，為光束整形技術的發展和具有可調加工深度的精確應用提供了重要的見解。

    超快激光加工技術的未來發展方向

    高深寬比的超快激光加工技術能夠實現精密、高效、非接觸的加工，在光學領域、生物操縱領域、微電子學等領域具有廣闊的應用前景。例如，在光學領域，高深寬比加工有利于實現更精細的光學結構，提高光學元件的性能和精度；在生物操縱領域，能夠制造三維微納米結構的生物支架，為細胞粘附、擴散和生長提供關鍵支持；在微電子學中，促進了具有高縱橫比的納米纖維通孔在三維集成電路封裝中的廣泛應用。

    生成和操縱針對特定應用定制的類貝塞爾光束具有挑戰性，需要高精度光學系統和復雜的控制策略，這會提高設備成本和復雜性。為了在加工中實現高精度和高縱橫比，未來的研究應深入探究激光-材料相互作用機制，特別是非線性機制，探索新的聚焦技術，優化光束傳播和能量分布特性。同時，針對貝塞爾光束加工中存在的問題，如旁瓣燒蝕、焦深限制等，進一步改進光束整形和調制方法，提高加工質量和效率。此外，加強多學科交叉研究，結合物理學、材料科學、工程學等多學科的知識和方法，推動超快激光加工技術的不斷創新和發展，拓展其在更多領域的應用。

    高深寬比結構的超快激光加工技術在眾多領域展現出巨大的潛力，貝塞爾光束及其類貝塞爾光束的特性為實現高精度、高深寬比加工提供了重要途徑。盡管目前技術仍面臨一些挑戰，但隨著研究的深入和技術的不斷進步，這些問題有望得到解決，從而推動超快激光加工技術邁向更高的水平，為微納制造領域帶來更廣闊的前景。