飞秒激光先进精密制造：从微观走向纳观

一.微米、亚微米、纳米尺度

近十几年在超快激光精密制造的研究成果，是在下面的尺度下展开的：微米（1~100 μm），亚微米（100 nm~1 μm），纳米（10~100 nm）尺度。

二．微纳米尺度的激光精密加工——飞秒激光加工

它作为一种可以在大气环境下实现高速加工的非接触工艺过程，具有独特的优势。其中的飞秒激光加工方法，在高质量的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结构和器件上，都是当前及未来十分重要的先进制造手段。

三．微观制造的现状

1.在微米尺度下，包括激光诱导等离子辅助刻蚀（laser induced plasma assisted ablation，LIPAA），双光子吸收（two-photons absorption）等，都被广泛应用于各种材料的二维及三维微制造中。

2.在亚微米尺度，微球阵列（micro-lens array）飞秒加工，飞秒激光干涉光刻，以及激光诱导表面周期性微结构等方法，都适用于快速，大面积的周期性表面亚微米图案化。

3.对于纳米加工，近场光学工具的应用，包括近场扫描显微镜（near field scanning optical microscope），原子力显微镜，微球等，可以在材料表面获得较高的分辨率（10~100 nm）的结构，但这些方法却都受限于其较低的加工效率及其对材料表面平整度的苛刻要求。因此，如何实现远场的纳米制造是现今飞秒激光加工最重要的目标之一。包括受激发射损耗（STED），多光子吸收（multiple-photon absorption），以及双光束飞秒加工等，都能在材料表面获得<50 nm的结构。

四．中国科研团队的进展

洪明辉院士团队最近的研究表明，在远场和大气环境下的混合飞秒激光加工，可以直接在硅表面上制造~15 nm的特征尺寸。尽管这个独特实验结果背后所蕴含的复杂物理机制仍然需要更清晰地分析研究，但通过进一步精细调制实验装置和激光加工参数，极有可能使激光纳米制造在远场条件下的分辨率达到~10 nm的水平。