南科大徐少林课题组在超快激光微纳制造领域取得新进展

发布时间：2024-05-07

近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授徐少林研究团队在超快激光微纳制造领域取得新进展。2024年开年以来，分别在International Journal of Machine Tools and Manufacture (IJMTM), Advanced Functional Materials (AFM), Advanced Optical Materials (AOM), Optics Letters (OL)等材料制造领域顶级期刊上发表论文。上述工作基于超快激光的光束整形技术，利用贝塞尔光束、柱矢量光束、图案化光斑以及线光源等整形超快激光，实现在玻璃、碳化硅等硬脆性块体材料、金属薄膜等材料表面的超精密微结构、跨尺度微纳结构和超衍射极限纳米结构的制备，为多种光学器件的设计和制备提供了新的解决方案。

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论文一：超快激光贝塞尔光束实现玻璃微结构的多样化可控精密加工

玻璃在21世纪的应用日益广泛，被认为是最具潜力的高性能材料之一，因其高透光性、优越的机械和化学稳定性，以及卓越的热、电绝缘性能而备受青睐。但由于其高硬脆性以及低导热性的特点，玻璃在加工过程中容易发生碎裂、开裂和其他应力损伤，难以实现高精度的微尺度结构加工。

研究团队在实验过程中发现了一种新现象：通过超快激光进行改性加工后，改性区域周围展现出沿着改性线轨迹的各向异性刻蚀规律，打破了固有的各向同性玻璃化学刻蚀过程。基于这一发现，提出了一种基于激光引导各向异性刻蚀（Laser-guided anisotropic etching，LGAE）的方法，实现了高效、高精度玻璃表面微结构可控加工（如图1.1a-b所示）。LGAE技术利用具有长焦深的贝塞尔光束在玻璃内部创建深度和倾斜角度均可调节的改性线。改性线相对于原始玻璃的化学刻蚀速率更快，因此可对刻蚀形貌的演化过程进行定向引导，从而实现玻璃表面微结构的精确控形加工（如图1.1a-d所示）。实验结果表明，LGAE方法可加工表面粗糙度小于10 nm的微结构，范围涵盖几微米至数百微米尺寸。通过扫描拼接方法，研究团队成功制造了50 μm周期微金字塔阵列（如图1.1e-f所示），证明了其用于大规模制造的适用性。LGAE技术还可以制造出各种凸面结构，如多边形金字塔和圆锥体，实现对微结构特征的精确调控。通过LGAE技术，研究团队成功制造了多种微结构玻璃元件，包括压印模具、光纤支架、光学衍射元件和微流体芯片（如图1.2所示）。这项研究成果将为微结构玻璃器件的制造带来重大突破，推动基于玻璃的研究和产业的进一步发展。

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图1.1. 激光引导各向异性刻蚀（LGAE）原理

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图1.2. LGAE方法在微结构玻璃器件领域的应用展示。（a-b）微针结构阵列；（c）光纤支架；（d-e）闪耀光栅；（g-j）微流控芯片

上述工作以“Laser-guided anisotropic etching for precision machining of micro-engineered glass components”为题发表于International Journal of Machine Tools and Manufacture，南方科技大学机械与能源工程系2021级博士生李峻为文章第一作者，徐少林为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。徐少林团队成员仲帅、黄佳旭、邱佩、王璞、李荟、苗铎，以及南方科技大学深港微电子学院王敏副教授团队成员秦楚均对该工作做出了重要贡献。

论文二：超快激光柱矢量光束制备基于微纳复合结构的超宽谱完美吸收器

超宽谱完美吸收器由于其在宽波段对入射电磁波的高吸收性能，在辐射制冷、光伏、电磁屏蔽、传感等多个领域具备广泛的应用前景。然而，超材料无法满足可见光到远红外波段的吸收要求，微纳复合表面结构则有望实现超宽谱的广角吸收。大尺寸微米结构通过表面陷光效应将入射电磁波捕获从而减少宏观的表面反射，亚波长纳米结构则通过形成等效介质层或激发表面极化激元来减少表面反射，基于两者结合的跨尺度微纳复合结构有望将上述减反射机制结合并产生一些新效应（如图2.1所示）。

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图2.1. 纳米光栅复合微米锥的复合结构设计及SPhPs效应

4H-SiC作为一种良好光电子器件材料，其具有稳定的物理化学性质和耐高温特性，在实现超宽谱吸收方面极具潜力。针对该材料，研究团队采用跨尺度的纳米光栅复合微米锥结构阵列结构设计，提出了陷光效应增强的表面声子极化激元（SPhPs）激发效应。在材料的剩余射线带（10.32-12.55 μm），4H-SiC具有十分强的本征反射率，而在所设计的微纳复合结构中，表面纳米光栅作为超材料层，其激发的SPhPs可以通过微米锥结构的陷光效应而增强（如图2.1所示），从而进一步提高吸收率，使得材料在其剩余射线带达到近完美吸收。在剩余射线带外，跨尺度的微纳复合结构吸收率的提高主要来自于微米锥结构的陷光效应，而纳米光栅作为减反射的等效介质层，进一步提高了复合结构的吸收率。

超快激光柱矢量光束在跨尺度微纳复合结构的加工方面极具优势。研究团队使用整形的超快柱矢量光束，通过脉冲沉积加工的方法在4H-SiC基底上制备纳米光栅复合微米锥结构阵列。如图2.2所示，该微纳复合结构在0.4-16 μm的超宽光谱范围内具有98%的平均吸收率，并且展现出宽入射角容忍性。对比微米锥结构吸收器，利用红外热成像仪测试7.5-14μm波段的辐射和反射图像，微纳复合结构吸收器展现出更优异的吸收和性能，验证了本研究提出的陷光效应增强的SPhPs激发效应。

这种超宽谱完美吸收器有望用于热传递系统、医疗和环境监测中的传感器和探测器，而提出的陷光效应增强SPhPs的设计为未来电磁波控制技术的进一步发展提供一种新思路。

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图2.2. 基于微米锥、纳米光栅复合微米锥结构的吸收器光谱及效果图

上述工作以“Hierarchical Conical Metasurfaces as Ultra-broadband Perfect Absorbers from Visible to Far-Infrared Regime”为题发表于Advanced Functional Materials，南方科技大学机械与能源工程系博士生胡劲、徐康为论文共同第一作者，硕士生黄沛霖参与论文工作，机械与能源工程系韦齐和教授为论文提供重要指导，机械与能源工程系徐少林副教授、深港微电子学院王敏副教授为论文通讯作者，南方科技大学为论文通讯单位。