洪明辉院士团队与曹暾教授团队联合报道了一种基于非接触式微球的超快激光纳米图案化技术，在相变材料表面实现了小于50 nm的功能化纳米图案。
作为一种大气环境下可以高速加工的非接触工艺过程，微纳米尺度的激光精密加工具有独特的优势。在高质量微纳米结构的制造及相关的表面加工等方面，尤其是在创造新的功能性器件和结构上，激光精密加工成为重要的先进制造手段。而衍射极限一直是光学研究中一个绕不开的核心问题，长期以来，衍射极限大大限制了微纳加工的发展进程，因为它从根本上限制了光学加工的分辨率。无论是表面加工技术、激光直写，还是光刻技术，其分辨率都受到衍射极限的影响。光学微球是挑战衍射极限的一项重要尝试，其作为一种独特的光学元件具有多种功能。基于微球的激光精密工程和光学显微技术能够突破传统光学器件对光的调制极限，提供了一种全新的构建微纳光学系统的思路。这项技术的诞生可以追溯到2000年，从那以后，全球各地的数十个科学团队都投身于这项技术的研究之中。目前，在成像领域，非接触式的微球已被证明可以较好地保持纳米成像的功能，大大提升了微球成像的自由度和适用性。然而对于微球激光精密工程方向的研究，目前所报道的多是在接触模式下实现微纳结构的制备，这极大地限制了微球加工的自由度和应用场景。因此，如何去平衡微球激光精密加工的分辨率及其加工自由度，还有待进一步的探究和解决。
针对上述问题，厦门大学及新加坡国立大学洪明辉院士团队，与大连理工大学曹暾教授团队联合报道了一种基于非接触式微球的超快激光纳米图案化技术，在相变材料表面实现了小于50 nm的功能化纳米图案。非接触模式下，将微球置于一个特殊设计的夹持器上，通过灵活控制微球X-Y-Z扫描可以获得纳米级加工结果，此时微球与样品间距在微米量级。通过微球技术和飞秒激光照射，这项新技术能够在多种情形下以非接触模式对更精细的特征结构进行高速加工。
图1 非接触式微球超快激光微纳加工装置及所制备的表面纳米图案
研究人员还对纳米结构的成型机理进行了分析解释。通过理论计算，入射激光经过50 m小球后的聚焦光斑大小虽然仅为~678 nm。但由于超快激光的非线性效应，包括双光子吸收及顶端阈值效应，使得最后在相变材料表面获得了<50 nm的结构。这种表面纳米结构是由微球的聚焦效应，超快激光的双光子吸收及顶端阈值效应同时作用形成的。
图2 非接触式微球超快激光微纳制备机理
该方法为超快激光表面纳米加工提供了新思路，其加工效率及加工自由度有望通过微球阵列及微球形貌设计进一步优化与提升。该成果以“Microsphere Femtosecond Laser Sub-50 nm Structuring in Far Field via Non-linear Absorption”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances（光电进展）第6期。
研究团队简介
厦门大学激光应用中心研究团队现有研究人员26人，其中新加坡工程院院士1人，高级职称研究人员1人，助理教授1人，博后2人，博硕士16人。目前承担国家自然科学基金项目、国家重点基础研究发展计划 (973计划) 子课题、国家重点实验室开放基金课题、福建省科技厅引进重大研发机构资助项目子课题以及企事业单位委托技术开发项目。团队负责人洪明辉为新加坡工程院院士、国家级高层次人才，于2022年8月全职加盟厦门大学，受聘为陈嘉庚讲席教授，担任厦门大学工学部主任，萨本栋微米纳米科学技术研究院院长，嘉庚创新实验室首席科学家，为厦门市“双百计划”人才、厦门市南强投资顾问。目前已在包括Nature、Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications等在内的国际一流学术刊物发表论文500余篇，合著学术专著15部，拥有中国、新加坡、美国以及德国等国专利42项，2项已经产业化生产。
相关论文
Lin ZY, Liu K, Cao T, Hong MH. Microsphere femtosecond laser sub-50 nm structuring in far field via non-linear absorption. Opto-Electron Adv 6, 230029 (2023).
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