径向偏振片-S波片在激光材料加工的烧蚀实验产生的深宽比超过16

在李赵青博士的试验中，使用S波片/径向偏振转换片、空间光调制器和偏振器组成的光束整形系统，对飞秒激光的偏振、波前、以及振幅依次进行调制，从而产生了纯度为94.7%的高质量纵向光场（偏振方向与其传播平行的激光场称为纵向光场），对不同类型的光场在抛光硅、铜和蓝宝石上诱发的烧蚀坑进行了比较。用100-120 nJ脉冲能量的单脉冲在蓝宝石上产生了直径为10-30 nm的孔，孔的深宽比超过16，锥度为零。单脉冲激光照射产生的这种50nm以下的高纵横比孔在激光加工中很少见，这表明利用S波片/径向偏振转换片生成的纵向光场产生了一种新的材料去除机制。

图1：显示纵向光场产生原理的三维示意图：空间光调制器、S波片/径向偏振片、透镜

第一组实验：涡旋波片激光烧蚀对抛光硅的影响

图2：0.75NA物镜的激光强度曲线和材料加工效应。光晕函数设置为0.75-0.00NA（全孔径照明，上图）、0.75-0.35 NA（厚环形照明，中图）和0.75-0.65NA（薄环形照明，下图）。b、d、f抛光硅片上的单脉冲烧蚀，激光束方位、径向和线性偏振在光栅化功能下。b、d和f中的红色符号表示不同极化条件下的E场方向。

在第一组实验中，采用带apodization功能的0.75NA透镜对纵向光场进行了确认，使用0.75 NA的无面物镜对光束进行线性、径向和方位角的聚焦，再加上涡旋波片。脉冲能量保持在43nj，透镜到目标的距离为380μm。如图2c所示较薄的环形光束产生较小的焦斑和更多同心圆，但中心区域的环形形状不变，模拟结果与图2b所示的烧蚀结果一致。中心区域产生的柱状结构没有变化，由于脉冲能量较低，模型中可见的同心圆环（图2c底部）没有在表面留下印记。在图2e中，对于薄环形光束照射下的径向偏振（底部，模型显示纵向光场的纯度为74.1%），焦斑变得相对较小且更清晰。在图2d顶部所示的烧蚀结果中，可以看到一个为减弱的中心柱结构，这表明中心的纵向光场存在低于烧蚀阈值，这是空气/硅界面效应，由于折射率不匹配，使得纵向光场的吸收效率低于横向光场。然而，当入射环形光束变薄时（图2a底部），横向环形光场和中央纵向光场的结合诱导产生一个扁平状的焦场（图2d底部），导致中心柱结构几乎完全去除。中心结构的烧蚀只能通过纵向光场来实现，而纵向光场是中心唯一的非零分量。在图2g底部，对于线偏振激光束，较薄的环形光束使焦点光班变小，并产生高阶同心圆环。在图2f底部，可以看到使用更薄的环形光束获得了更清洁的烧蚀结果。

第二组实验：径向偏振片激光烧蚀对铜的影响

图3光束轮廓和偏振态对激光烧蚀铜的影响比较 a, d, g 准直激光光束强度截面分为0.95-0.00NA高斯光束、0.95-0.00NA扁平光束和0.95-0.90NA环形光束，并使用光束轮廓仪进行检测。b, c, e, f, h, i 单脉冲烧蚀对抛光铜的影响以及径向和方位偏振下相对焦斑建模的结果。

在第二组实验中，使用0.95NA透镜产生纵向光场，并进行球差校正，以表征其与硅和铜的相互作用。基于球面像差校正和三维apodization函数，采用径向和方位角极化激光束，以210nJ脉冲能量对抛光铜进行单脉冲烧蚀。如图3b所示，在全孔径径向极化高斯光束照射下(纵向光场纯度为73. 4%)， 烧蚀图案中心形成直径约为110nm的小孔，而在图3c中，方向极化光束在烧蚀图案中心形成柱状结构。相应的建模结果证实了焦点位置处的强度分布，蓝色曲线表示纵向光场。在图3e中，在全孔径平顶光束照射下(纵向光场纯度为78.7%)，利用径向偏振产生的一个小孔被缩小到80nm左右，这与建模结果中纵向光场的增强是一致的。在图3h, i中，径向(纵向光场纯度为94.7%)和方位偏振激光束均采用0. 95-0. 90NA的环形光束。径向偏振烧蚀中心的小孔被缩小到40nm左右，而方位偏振光束仍然产生环状图案。

第三组实验：S波片/径向偏振转换片激光烧蚀对蓝宝石的影响

在第三组实验中，利用蓝宝石烧蚀的apodization函数增强了纵向光场，并以与之前相同的方式分析了工艺特性。a使用光束轮廓仪在物镜前测量的基于光晕函数的径向偏振环形光束的强度分布，b用于球差校正的CGH，c使用0.95-0.90NA物镜聚焦径向偏振的光场模型，d-h基于径向偏振激光束的单脉冲烧蚀在抛光蓝宝石上逐渐降低脉冲能量的效果，i和j直径为30nm的孔的横截面。90NA的物镜进行径向偏振聚焦的光场模型，d-h在逐渐降低脉冲能量的情况下，基于径向偏振激光束对抛光蓝宝石进行单脉冲烧蚀的效果，i和j为直径为30和20nm的孔的横截面，k为直径为30nm、深度为500nm的无锥度孔的横截面，l为直径为8.7nm，深度超过700nm的孔的横截面；m带正锥度的孔的横截面，锥度底部的直径降至15.1nm；n带负锥度的孔的横截面，锥度顶部的直径降至9.4nm。

如图4c所示的纵向和横向场分量的相对峰值强度可以得到94.7%纯度的纵向光场。在这里，只使用径向偏振，聚焦光束以产生高纯度的纵向光场。将激光束的脉冲能量从160nJ逐渐降低到140、 120和 100 nJ左右，抛光蓝宝石上的单脉冲烧蚀可重复(重复10次以上)特征尺寸可减小到45~10nm的孔径(如图4d-h所示，图4h中插入图为X2放大视图，对比度增加)。为了验证这些小孔的截面特征，进行了FIB切片。结果分别如图4i-n所示。图4i显示了直径为30nm，深度为90nm的孔，工件表面上方显示了沉积的飞溅物。图4j显示了直径为20nm,深度为90nm和平行孔壁。图4k显示直径为30nm，深度为500nm(深度与直径的纵横比为16.6)。 图4l显示了宽度为10nm，深度超过700nm的横截面。表面陨石坑大小约为30nm。与表面陨石坑尺寸相比，这里的内部宽度减小是由于FIB切割与孔中心略有偏移。在这里，可以确认零点逐渐变细，洞的深度也更大。图4m显示了底部最小直径为15.1nm的正锥度。在图4k，l中的结果证实实现了高深宽比大于16。

图4：优化纵向激光束在蓝宝石上钻孔的效果，实现10-30nm尺寸的高深宽比孔。

虽然铜和蓝宝石的实验结果都是在相似的激光照射参数下产生的，但两种材料的材料特性非常不同，这将导致人们期望得到显着不同的结果。蓝宝石是一种宽带隙材料，因此非线性材料烧蚀机制有望占主导地位，能够产生低于光学衍射极限的烧蚀特征。另一方面，铜是一种自由电子很容易吸收激光脉冲能量而没有非线性效应的金属，这使得产生明显低于光学衍射极限的烧蚀坑要困难得多。而在脉冲能量210~260nJ的纵向光场辐照下，两种材料均产生了~30 ~40nm的烧蚀直径。

S波片/径向偏振转换片、空间光调制器和偏振器组成的光束整形系统，可产生高质量纵向光场，在蓝宝石上产生了直径为10-30 nm的孔，孔的深宽比超过16，这是一种打破光学衍射极限的激光材料加工方法。