【儀表網 研發快訊】 近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授徐少林團隊在超快激光微納制造領域研究取得新進展，相關成果分別發表在 International Journal of Machine Tools and Manufacture (IJMTM), International Journal of Extreme Manufacturing (IJEM), Laser & photonics Reviews, Advanced Functional Materials，Advanced Material Technologies 等制造、光學領域期刊。
提出自適應光束整形技術突破微槽精密控形加工瓶頸
復雜截面微槽在航空航天、生物醫療等領域具有重要應用，但其精密加工(尤其針對難加工材料)仍面臨巨大挑戰。雖然圖案化激光燒蝕技術可實現多材料微溝槽制備，但離焦平面衍射導致的能量分布變化及材料對偏振態激光的吸收差異，使得微槽輪廓與光斑形狀的關聯性難以精確控制，制約了特定截面結構的可控制備。
研究團隊提出一種自適應光束整形方法(如圖1.1所示)，通過建立結合“光束傳輸衍射”與“偏振相關能量吸收率”的激光燒蝕輪廓演化模型，精準預測微槽形貌并用于指導光斑形狀迭代優化。在仿真模型中，根據仿真輪廓與目標輪廓的差異動態調整光束形狀，經動態微調后的光斑，可在加工寬度為10 μm的微槽時，保證其輪廓均方根誤差低至0.5 μm(如圖1.2所示)。自適應光束整形結合激光直寫技術，成功實現了三角形、梯形及函數化曲面微結構的高精度加工(如圖1.2所示)。該技術為難加工材料的微槽加工提供了新策略，同時為高精度微結構在工業領域的應用開辟了創新路徑。
相關成果以“Adaptive beam-shaping enabled high-precision patterned laser micro-grooving”為題，發表于 International Journal of Extreme Manufacturing。南方科技大學機械與能源工程系畢業生邱佩博士和2021級博士生李峻為文章共同第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。
圖1.1. 基于精確演化模型的自適應光束整形技術流程圖
圖1.2. 控形能力驗證和不同橫截面輪廓的偏差分析(a)三角形；(b)梯形；(c)半圓形；(d)U 形
創新性設計全玻璃納米孔超構透鏡顯著提升光波調制性能
超構透鏡是一種由亞波長結構單元組成的平面光學器件，能通過精確調控光波的相位、振幅及偏振特性，實現對光場的高效操控。與傳統光學透鏡相比，超構透鏡具有輕薄化、緊湊化及多功能集成等顯著優勢，在成像、顯示、傳感等領域展現出巨大應用潛力。然而，傳統納米柱超構透鏡因受限于結構單元的縱橫比與占空比約束，常面臨相位延遲不足的瓶頸問題，嚴重制約其性能提升與功能拓展。
針對這一挑戰，研究團隊提出全玻璃納米孔超構透鏡設計，通過采用亞波長周期、深度可調且占空比固定的高深徑比納米孔作為相位調制單元，成功實現線性2π相位延遲，顯著提升光波調制性能。在此基礎上，團隊開發了非衍射貝塞爾光束光刻技術(圖2.1)，利用凹錐透鏡相位圖調制的貝塞爾光束特性，確保納米孔沿深度方向的直徑一致性。結合熱退火與化學刻蝕后處理工藝，最終制備出周期低至800 nm、深度超10 μm且形貌可控的無損納米孔陣列。該技術在1.55 μm通信波長下的調制效率達97%，并成功制備了直徑2 cm的大面積超構透鏡及軸棱鏡、渦旋波片、閃耀光柵等多類光學器件(圖2.2)。這一突破不僅攻克了傳統超構透鏡的相位延遲限制，更通過超快激光加工技術實現了高精度、高效率的微納制造，為低成本定制化超構透鏡的產業化應用提供了全新解決方案。
相關成果以“All-glass Nanohole Metalens by Non-diffracting Laser Lithography”為題，發表于 Laser & Photonics Reviews。南方科技大學機械與能源工程系博士后徐康和碩士鄭滿冬為共同第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。
圖2.1. 全玻璃納米孔超構透鏡超快激光加工示意圖(a)無衍射貝塞爾激光加工方法示意圖；(b)加工的納米孔斷面表征；(c)大面積超構透鏡照片及成像效果
圖2.2. 多樣化超構透鏡(a-c)閃耀光柵；(d-g)超大底角(17°)錐透鏡；(h,i)八階渦旋波片
設計高激光誘導損傷閾值增透光學元件，取得超快激光復合制造技術突破
增透光學元器件在現代光學應用尤其是激光加工系統中承擔著關鍵作用，而在面對高功率激光的應用場景時，常見的鍍膜增透的方式面臨挑戰，這限制了增透技術的應用與推廣。如何提高增透技術的激光誘導損傷閾值以滿足高功率激光的應用需求值得進一步研究。
針對這一需求，研究團隊提出一種超快激光加工技術和原位去濕輔助等離子體刻蝕方法(如圖3.1所示)，通過在熔融石英玻璃光學元件表面鍍一層鉑(Pt)金屬薄膜，在高能等離子體的持續輻照和轟擊下，由于瑞利不穩定性，金屬薄膜會逐漸演化形成均勻分布的納米金屬顆粒，充當納米掩模的作用，在基底材料上刻蝕形成均勻分布的錐形納米結構，結合超快激光加工技術，在石英玻璃材料表面實現了光學微結構復合納米錐陣列減反射結構的高效制備。納米錐的形成得益于金屬薄膜在高能等離子體輻照下由馬蘭戈尼效應驅動的去濕行為所形成的納米顆粒掩模，具有強耐刻蝕性以及去濕形成均勻納米顆粒的Pt可以實現高深徑比、高密度的納米錐陣列的制備。通過控制金屬薄膜厚度或者結合鈍化二次刻蝕過程，可以靈活制備直徑62-136 nm、高度126-942 nm可調的納米錐陣列結構。該方法制備的增透微光學元件在0.3-2.5μm波段上平均透過率達到98%，聚焦效率提高至原來的1.1倍，并保持了原熔融石英玻璃材料79.4%的激光誘導損傷閾值(如圖3.2所示)，實現了高激光誘導損傷閾值的增透微光學元件。
相關成果以“In Situ Dewetting Assisted Plasma Etching of Large-Scale Uniform Nanocones on Arbitrarily Structured Glass Elements”為題，發表于 Advanced Functional Materials。南方科技大學機械與能源工程系畢業生胡勁博士為論文第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。
圖3.1. 原位去濕輔助等離子體刻蝕方法示意圖及其結構演變過程
圖3.2. 高激光誘導損傷閾值光學元件的透過率與損傷閾值表征
提出超快激光跨尺度圖案化光刻新方法，助力MIM超構器件制備
金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構超構器件因其多層膜結構具備低損耗、高調制效率、工藝兼容性好等優點，在光束整形、全息成像、紅外完美吸收等先進光學應用中展現出巨大潛力。然而，傳統制造方法難以在保證分辨率的同時實現大面積表面結構的高效一致加工，制約了MIM器件的規模化應用。
針對這一難題，研究團隊提出“跨尺度圖案化脈沖激光光刻(PPLL)”新方法，通過空間光調制器(SLM)對超快激光光源進行二元圖案化整形，實現單次曝光即可加工復雜自由曲面圖案，大幅提升加工效率(圖4.1)。通過改進光路系統(8f系統)與反高斯灰度數字掩模優化能量分布，研究人員實現了超過100*100μm2的單次曝光面積和近衍射極限(300 nm)的空間分辨率，兼顧了加工高精度和大面積加工一致性。在結構設計方面，研究團隊構建了由20 nm的相變材料Ge2Sb2Te5(GST)薄膜層、Al2O3絕緣層、金屬反射層組成的MIM結構。仿真與實驗結果表明，該結構可實現接近半波相位延遲，有效突破了單層膜相位調制能力不足的瓶頸，顯著提升了光場調控能力。
圖4.1 跨尺度圖案化脈沖激光光刻方法示意圖 (a)空間光調制器實現強度調控的光路結構；(b)一次曝光加工4單元Dammann光柵圖案的原理示意；(c)單層結構光柵的顯微圖像及其衍射效果；(d)MIM結構光柵的顯微圖像及其光束分束效果
基于該方法，研究團隊成功制備出具有高均勻性和高衍射效率的Dammann光柵，以及清晰重構圖像的MIM全息器件(如圖4.2所示)。該方法可在數分鐘內完成厘米級器件的高精度加工，展現出極高的制造效率與光學調控能力。
圖4.2 MIM全息超構器件的設計與表征 (a-d)任意計算全息圖(CGH)相位圖的設計；(e)二值CGH圖的二維傅里葉變換結果；(f,g)光學顯微鏡下的器件形貌；(h)掃描電鏡下的結構細節；(i)520 nm激光重構出的全息圖像。激光加工能量密度為0.04 J/cm2
該成果為超快激光在超構器件領域的規模化制備提供了新思路，為低損耗、高性能的平面光學元件開辟了超快激光制備的新路徑。相關成果以“Cross-Scale Patterned Pulse Laser Lithography for MIM Meta-Devices Processing”為題發表于 Advanced Materials Technologies。南方科技大學機械與能源工程系博士生黃凌羽為論文第一作者，徐少林為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。
原子尺度結構演變揭示超快激光加工金剛石的相變機制
單晶金剛石作為超寬帶隙半導體材料，在電子器件與量子技術領域具有重要應用價值。超快激光加工技術雖為金剛石微納制造提供了獨特優勢，但其瞬態能量沉積誘導的原子級結構演化機制尚未明晰，阻礙了該技術的進一步發展。
研究團隊發現，當飛秒激光脈沖連續作用于金剛石表面時，超快力-熱耦合效應會引發周期性結構演變：早期脈沖導致的不可逆相變將改變材料狀態，進而影響后續脈沖與材料的相互作用，最終形成表面及亞表面的多層級納米結構。通過系統分析飛秒激光加工中的超快動力學過程、電場分布特性及燒蝕機制，團隊首次提出納米復合碳結構的順序相變機制(圖5.1)，推翻了傳統“石墨化”理論對相變過程的單一解釋。該研究從原子尺度揭示了金剛石在超快激光作用下的動態響應規律，為其超精密加工及功能碳材料的可控合成提供了理論支撐。
相關成果以“Atomic-level insight into sequential evolution of nanocomposite carbon structures in femtosecond laser processing of diamond”為題，發表于 International Journal of Machine Tools and Manufacture。南方科技大學機械與能源工程系畢業生韓慧莉博士為論文第一作者，徐少林和機械與能源工程系講席教授張璧為共同通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。
圖5.1.飛秒激光加工單晶金剛石的相變機制示意圖
系統性解析超分辨激光加工技術路徑與突破方向
超分辨激光加工技術通過突破光學衍射極限，為半導體、生物醫學等領域的精密微納制造開辟了新路徑。然而，傳統激光技術長期受限于分辨率與效率的矛盾：高精度加工需犧牲產能，而大規模生產則難以兼顧精度，嚴重制約其工業化應用。
本綜述系統梳理了兩類核心超分辨方法(圖6.1和圖6.2)：“縮小衍射極限”(通過縮小激光波長、優化聚焦系統壓縮光斑尺寸)與“繞過衍射極限”(利用非線性效應、近場增強等物理機制突破傳統光學限制)。同時，通過激光參數選擇、加工策略優化和時空調制等方式以調控材料-光場相互作用，以及對新型高速光學加工系統開發，可有效平衡分辨率與效率矛盾。該綜述進一步展望了跨學科融合下超分辨激光加工技術在進一步發展中可能的前進方向及其產業化潛力，為下一代精密制造技術革新提供了重要理論框架。
圖6.1. 如何實現超分辨激光加工
圖6.2.實現超分辨激光加工的兩類途徑
該綜述以“Super-resolution laser machining”為題發表于 International Journal of Machine Tools and Manufacture。南方科技大學機械與能源工程系畢業生黃佳旭博士為第一作者，徐康博士參與撰寫，徐少林為通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。
論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adec26
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202402006
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410563
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202500131
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0890695525000021
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S089069552500001X?via=ihub
供稿：機械與能源工程系
通訊員：李新月
主圖：丘妍
編輯：曾昱雯
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