高斯 王子涵 滑建冠 李乾坤 李愛武于顏豪

(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130012)

飛秒激光加工藍(lán)寶石超衍射納米結(jié)構(gòu)?

高斯 王子涵 滑建冠 李乾坤 李愛武?于顏豪?

(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130012)

(2017年3月30日收到;2017年5月19日收到修改稿)

藍(lán)寶石具有超強(qiáng)硬度及耐腐蝕、耐高溫、在紫外-紅外波段具有良好的透光性等優(yōu)點(diǎn),在軍工業(yè)以及醫(yī)療器械方面具有廣泛的應(yīng)用前景.然而這些優(yōu)點(diǎn)又對藍(lán)寶石的機(jī)械加工或化學(xué)腐蝕加工帶來困難.飛秒激光脈沖具有熱損傷小、加工分辨率高、材料選擇廣等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于固體材料改性和高精度三維微納器件加工.本文提出了利用飛秒激光多光子吸收特性在藍(lán)寶石表面實現(xiàn)超越光學(xué)衍射極限的精細(xì)加工.利用聚焦后的波長為343 nm的飛秒激光,配合高精密三維壓電位移臺,實現(xiàn)激光焦點(diǎn)和藍(lán)寶石晶體的相對三維移動,在藍(lán)寶石晶體襯底上進(jìn)行精確掃描,得到了線寬約61 nm的納米線,納米線間的最小間距達(dá)到142 nm左右.利用等離子體模型解釋了加工得到的納米條紋的產(chǎn)生原因,研究了激光功率、掃描速度對加工分辨率的影響.最終本工作實現(xiàn)了超越光學(xué)衍射極限的加工精度,為實現(xiàn)利用飛秒激光對高硬度材料的微納結(jié)構(gòu)制備提供了參考.

飛秒激光加工,光學(xué)衍射極限,藍(lán)寶石,微納結(jié)構(gòu)

1 引 言

隨著電子信息時代的發(fā)展,器件集成化、小型化的需求日益迫切.近年來,以制備小型化器件的高精密加工技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)內(nèi)容.但是由于光學(xué)衍射極限的制約,依賴光刻等傳統(tǒng)方法制備的器件已存在尺寸瓶頸.目前制備小型化器件的方法有很多種,如紫外光刻法、電子束刻蝕法、直寫法[1]等.常規(guī)的紫外光刻法使用掩膜板套刻會降低加工精度[2],加工分辨率有限;電子束刻蝕法[3]雖然不使用掩膜板,提升了加工精度,但設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)限制了它的大規(guī)模應(yīng)用.而飛秒激光[4-8]由于其熱損傷小、加工分辨率高、可設(shè)計加工真三維結(jié)構(gòu)等[9,10]優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于加工高精度元器件.目前飛秒激光直寫微納器件[11-14]已經(jīng)取得了一系列優(yōu)秀的研究成果,如2001年Kawata小組[15]利用800 nm波長的飛秒激光制得了10μm長、7μm高的“納米牛”,首次從實驗上突破了光學(xué)衍射極限,獲得了120 nm的加工分辨率;2007年,Duan研究組[16]利用SCR500進(jìn)行激光加工獲得了約15 nm的特征尺寸.上述研究都是基于聚合物材料,而在對飛秒激光與硬質(zhì)材料相互作用的研究中,余本海等[17]利用能量較低的多脈沖飛秒激光在LiNbO3晶體表面制備了約200 nm周期性分布的波紋狀結(jié)構(gòu);云志強(qiáng)等[18]對6H-SiC材料進(jìn)行了突破衍射極限的微納加工研究,獲得了125 nm線寬的微納結(jié)構(gòu);Shimotsuma等[19]在石英中制備了八分之一波長的納米光柵結(jié)構(gòu),線寬達(dá)到20 nm左右;Cheng等[20]在多孔玻璃內(nèi)部實現(xiàn)了約40 nm線寬的亞波長結(jié)構(gòu);Miyaji和Miyazaki[21]利用波長為266 nm的紫外飛秒激光在GaN上制備了周期為50 nm的納米光柵結(jié)構(gòu).在眾多種類的硬質(zhì)材料中,藍(lán)寶石[22]作為一種具有廣泛應(yīng)用價值的材料,可作為光學(xué)窗口[23]、氮化鎵發(fā)光二極管襯底[24]、耐磨損耐高溫器件等.但由于藍(lán)寶石材料硬度大、耐腐蝕性好,不利于傳統(tǒng)機(jī)械加工和化學(xué)加工.近年來,人們開始研究利用飛秒激光對藍(lán)寶石進(jìn)行加工.目前利用飛秒激光可以在藍(lán)寶石材料內(nèi)部制備線波導(dǎo)[25]、在藍(lán)寶石表面制備増透微結(jié)構(gòu)(最小特征尺寸500 nm)[26]等.然而到目前為止,利用飛秒激光加工藍(lán)寶石材料仍存在加工精度不高、機(jī)理不夠清晰等問題.

本文結(jié)合短波長紫外飛秒激光和周期性深亞波長產(chǎn)生技術(shù),在藍(lán)寶石表面得到了線寬約61 nm的超衍射極限的納米線,線寬遠(yuǎn)小于1μm的理論衍射極限;系統(tǒng)地研究了激光功率密度、掃描速度等參數(shù)對加工的影響;并探索了具有最小線寬的微納結(jié)構(gòu)間的最小間距;利用等離子體模型解釋了加工得到的納米條紋的產(chǎn)生原因;最后加工了特定圖案,為飛秒激光在藍(lán)寶石晶體材料上進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)精密加工的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

2 實驗裝置與方法

圖1 實驗中采用的加工系統(tǒng)示意圖Fig.1.Sketch diagram of the machining system in the experiment.

實驗裝置如圖1所示,飛秒激光由Pharos紫外激光加工系統(tǒng)提供,為高斯光束,中心波長343 nm,重復(fù)頻率90 kHz,脈沖寬度230 fs,最大輸出單脈沖能量100μJ.飛秒激光通過反射式物鏡(Thorlabs, NA=0.4,40×)聚焦到藍(lán)寶石樣品表面,反射式物鏡含有多個反射表面,能夠在不引入色差的情況下對光束進(jìn)行聚焦,由于具有近軸衍射限制的性能,可以忽略高級像差.激光垂直入射樣品表面,在物鏡前利用中性密度衰減片調(diào)節(jié)激光能量,實驗中量取的均是物鏡前的激光功率.c向切割藍(lán)寶石的厚度為430μm(合肥科晶材料技術(shù)有限公司),實驗前用棉球蘸取丙酮擦拭并超聲清洗20 min.樣品被固定在壓電平臺(PI P-622ZCD)上,表面平行于x-y平面,平臺可在xyz三個方向進(jìn)行移動,移動精度為1 nm.通過計算機(jī)控制樣品臺進(jìn)行逐點(diǎn)依次運(yùn)動來實現(xiàn)樣品和激光焦點(diǎn)的相對三維掃描.設(shè)計樣品移動的點(diǎn)間距為200 nm.激光作用之后的藍(lán)寶石表面會留有碎屑,可超聲清洗30 min予以去除.之后對樣品進(jìn)行噴金,進(jìn)行掃描電子顯微(SEM)表征,使用的是場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-7500F; JEOL,JEOL Ltd.,東京,日本).

3 實驗結(jié)果與討論

飛秒激光微納加工精度受到很多因素的影響,其中最主要的是所使用的飛秒激光的相關(guān)參數(shù)以及樣品種類.飛秒激光的相關(guān)參數(shù)包括中心波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率、能量密度等,而樣品的材料種類決定了表面加工閾值[27].激光作用后得到的結(jié)構(gòu)的線寬與加工功率、掃描速度、掃描次數(shù)、加工界面等因素有關(guān).我們在藍(lán)寶石晶體材料上進(jìn)行了超越光學(xué)衍射極限的微納結(jié)構(gòu)的加工,系統(tǒng)地研究了改變激光加工功率、掃描速度對線寬的影響.

3.1 飛秒激光燒蝕藍(lán)寶石突破光學(xué)衍射極限

由瑞利判據(jù)可知,當(dāng)一個圓斑像的中心剛好落在另一圓斑像的一級暗紋上時,可認(rèn)為兩個像剛剛被分辨[28].由于受到瑞利衍射的限制,一個理想光點(diǎn)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像,得不到理想的像點(diǎn),只能得到一個夫瑯禾費(fèi)衍射點(diǎn).由公式可以看出,這個衍射點(diǎn)的大小D與光波波長λ成正比,與所用物鏡的數(shù)值孔徑NA成反比.相應(yīng)地,可以定義由于光學(xué)衍射造成的成像分辨率極限[29].因此,如果想要得到超越衍射極限的加工精度,就要使用更短波長的光源,并且使用大數(shù)值孔徑的物鏡.常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限一般為λ/2.

我們知道,透明材料通過雙光子或者多光子吸收過程來吸收激光能量.雙光子吸收過程是一個非線性過程,正比于激光強(qiáng)度的平方,所以當(dāng)飛秒激光作用于透明材料時,吸收過程只發(fā)生在焦點(diǎn)處略高于破壞閾值得很小體積內(nèi).飛秒激光是高斯光束,對于高斯光束,其復(fù)振幅表達(dá)式為

其中ω0=(λz0/π)1/2為束腰半徑,ω(z)=ω0[1+ (z/z0)2]1/2是光束隨傳播距離的變化,r為光束邊緣到中心的距離,z為傳播距離,φ(z)是與傳輸距離相關(guān)的相位因子.激光的能量密度與脈沖能量的關(guān)系為

其中φ0代表激光的能量密度,ω0為束腰半徑,Ep代表激光的脈沖能量.采用激光對材料進(jìn)行燒蝕時,激光的燒蝕區(qū)域和束腰以及激光的能量密度遵循

(3)式中φth代表材料的燒蝕閾值,而D為燒蝕區(qū)域的直徑.

圖2 利用飛秒激光實現(xiàn)超越光學(xué)衍射極限的加工精度Fig.2.Using femtosecond laser to achieve the resolution beyond the di ff raction limit.

由于聚焦后的飛秒激光的光斑服從高斯分布,我們可以調(diào)控激光能量到很窄的一個范圍內(nèi),使聚焦點(diǎn)中心區(qū)域激光的能量略高于藍(lán)寶石的表面破壞閾值,如圖2所示.由于加工中使用的激光波長固定,加工過程中激光光斑的大小尺寸也就被確定下來,但是通過調(diào)整功率的方式,總可以找到一個較低的極限功率,使得激光焦點(diǎn)中心區(qū)域略高于藍(lán)寶石的表面破壞閾值,就可以在藍(lán)寶石表面既達(dá)到結(jié)構(gòu)燒蝕的效果,又降低了線寬.利用這種方法,我們使用0.96 mW的功率在藍(lán)寶石晶體材料表面制備了直線微納結(jié)構(gòu),線寬達(dá)到約61 nm,遠(yuǎn)小于光斑尺寸1μm(由于實驗中使用的飛秒激光波長為343 nm,反射式物鏡NA=0.4,因此代入公式計算得光斑尺寸D=(1.22×343)nm/0.4=1046 nm≈1μm),實現(xiàn)了超越光學(xué)衍射極限的加工分辨率(掃描方向與激光偏振方向垂直,如圖3所示).

圖3 線寬為61 nm的納米結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片(P= 0.96 mW,v=0.1 mm/s)Fig.3.SEM image of 61 nm nano structure(P= 0.96 mW,v=0.1 mm/s).

圖4 最小線寬納米結(jié)構(gòu)間距的對比照片(P=1.03 mW, v=0.1 mm/s)Fig.4.SEM images of the space between nano structures(P=1.03 mW,v=0.1 mm/s).

與此同時,我們探索了在保證最小線寬的前提下,兩條直線微納結(jié)構(gòu)間的最小間距.目前單條結(jié)構(gòu)線寬在60—70 nm范圍的情況下,兩條微納結(jié)構(gòu)間距最小可達(dá)到142 nm左右,如圖4所示.由于激光加工過程中會產(chǎn)生濺射物,微納結(jié)構(gòu)間的間距不能過小,否則兩條結(jié)構(gòu)間會產(chǎn)生互相影響,以至于影響單條結(jié)構(gòu)線寬的數(shù)值.

3.2 加工參數(shù)對藍(lán)寶石表面微納結(jié)構(gòu)線寬的影響

激光加工功率、掃描速度、掃描次數(shù)等加工參數(shù)都會對加工的結(jié)構(gòu)線寬產(chǎn)生影響.在實驗中我們發(fā)現(xiàn),在功率略高于加工閾值的情況下,所得到的直線微納結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有熔融物質(zhì)產(chǎn)生;而當(dāng)激光功率加大到一定程度時,激光燒蝕出的微納結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)納米量級的條紋,如圖5所示.

圖5 微納結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否產(chǎn)生納米條紋的對比(v= 0.1 mm/s)(a)P=0.96 mW;(b)P=1.05 mWFig.5.A comparison of two nano structures with stripes or not(v=0.1 mm/s)：(a)P=0.96 mW; (b)P=1.05 mW.

由激光誘導(dǎo)出的周期性的表面結(jié)構(gòu)是一種比較普遍的現(xiàn)象,其中經(jīng)典的條紋狀結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為是入射光和表面散射波相互作用的結(jié)果.這種條紋有如下特征：激光接近垂直入射時,條紋周期遠(yuǎn)小于激光波長;大部分情況下條紋結(jié)構(gòu)方向垂直于激光偏振方向(少數(shù)平行于激光偏振方向);條紋脊部與凹槽間有陡峭邊緣,如圖6所示.通常,這些波紋的周期Λ在一個很大的范圍內(nèi);依據(jù)波紋的周期Λ與激光波長λ的比值,可以將波紋結(jié)構(gòu)分為近亞波長條紋(0.4＜Λ/λ＜1)和深亞波長條紋(Λ/λ＜0.4)[30].對于亞波長條紋的形成機(jī)制,主要有以下三種理論解釋[31]：

1)飛秒激光與表面散射波干涉作用理論[32,33],即近亞波長條紋的形成是由于入射光與表面散射波互相干涉、能量在空間上形成周期性分布;

2)飛秒激光與表面等離子體激元干涉作用理論[30,34],即近亞波長條紋的形成是由入射的飛秒激光與激發(fā)出的表面等離激元相互干涉,導(dǎo)致能量在空間上周期性分布造成的;

3)自組織理論[35,36],即飛秒激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)是由兩個過程競爭產(chǎn)生,一個是由于材料解離引起的表面粗糙過程,另一個是擴(kuò)散作用引起的表面平滑過程,這兩個過程競爭中形成了周期性條紋.

圖6 飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的納米條紋的原子力照片(P=5.41 mW,v=0.1 mm/s)Fig.6.AFM image of nano stripes induced by femtosecond laser(P=5.41 mW,v=0.1 mm/s).

深亞波長條紋的特點(diǎn)與經(jīng)典的條紋有很大不同,被認(rèn)為不能歸為由散射模型[37]所描述的經(jīng)典條紋一類.但是深亞波長條紋產(chǎn)生的確切原因尚不清楚.目前比較有說服力的模型是等離子體模型[19,38],它可以解釋偏振對結(jié)構(gòu)方向的調(diào)控.高能的飛秒激光通過多光子效應(yīng)誘導(dǎo)電子電離,并在激光電場的調(diào)節(jié)下周期性振蕩,形成結(jié)構(gòu)燒蝕.由于電子的吸收和電離均為多光子過程,所以誘導(dǎo)出的納米結(jié)構(gòu)的周期和寬度均可以突破衍射極限,結(jié)構(gòu)的周期甚至可以達(dá)到十分之一波長[39].

我們在實驗中發(fā)現(xiàn),在同一激光加工參數(shù)下,當(dāng)微納結(jié)構(gòu)中的納米條紋的方向與激光掃描方向平行時,結(jié)構(gòu)的線寬會比二者方向不一致時明顯地減小.由于激光的偏振方向決定了誘導(dǎo)出的納米條紋的方向,因此激光的偏振方向也會影響結(jié)構(gòu)線寬的大小.我們已經(jīng)制備出線寬約61 nm的納米線,此線寬約達(dá)到所使用激光波長(343 nm)的1/6,突破了衍射極限.結(jié)合已有的理論模型和我們的實驗結(jié)果,我們認(rèn)為等離子體模型能更好地解釋我們的實驗結(jié)果.

為了系統(tǒng)地研究加工參數(shù)對微納結(jié)構(gòu)線寬的影響,我們選取了激光加工功率和掃描速度兩個參數(shù)進(jìn)行研究.通過分別改變激光功率和掃描速度,制備了不同參數(shù)下的微納結(jié)構(gòu),利用掃描電鏡進(jìn)行了表征,將得到的線寬數(shù)值繪制成曲線進(jìn)行了對比,如圖7和圖8所示.

圖7 線寬隨激光功率變化曲線圖(v=0.1 mm/s)功率從下到上：0.81,1.34,2.52,3.49,4.53,5.77,7.11,8.61, 10.23 mW;比例尺為1μmFig.7.Relationship between width and laser power (v=0.1 mm/s).Power(from bottom to top)：0.81, 1.34,2.52,3.49,4.53,5.77,7.11,8.61,10.23 mW;scale bar：1μm.

由圖7中可以看出,隨著激光加工功率的增加,燒蝕區(qū)域增大,線寬數(shù)值也隨之增大,可以由幾十納米增至幾微米,伴隨著明顯的納米條紋;由圖8中可以看出,隨著加工速度的增加,直線微納結(jié)構(gòu)的線寬呈現(xiàn)減小的趨勢.因此,通過優(yōu)化激光加工功率和掃描速度,可以找到比較恰當(dāng)?shù)膮?shù)來實現(xiàn)復(fù)雜微小結(jié)構(gòu)的加工.

圖8 線寬隨掃描速度變化曲線圖(P=1.33 mW) 速度由上到下：0.025,0.033,0.05,0.1 mm/s;比例尺為1 μmFig.8. Relationship between width and scanning speed(P=1.33 mW).Speed(from top to bottom)：0.025,0.033,0.05,0.1 mm/s;scale bar：1μm.

3.3 利用飛秒激光在藍(lán)寶石表面加工復(fù)雜微小結(jié)構(gòu)

通過上述利用飛秒激光在藍(lán)寶石晶體材料表面實現(xiàn)超越衍射極限精度的加工,以及針對加工功率、掃描速度對加工的微納結(jié)構(gòu)線寬的影響研究,確定了相關(guān)實驗參數(shù)對所加工的結(jié)構(gòu)的線寬和形貌的影響.基于以上研究結(jié)果,設(shè)計并加工了其他復(fù)雜微小結(jié)構(gòu),如圖9所示.這些圖案是在已有研究成果的基礎(chǔ)上,編寫了加工程序,由飛秒激光掃描固定在壓電平臺上的藍(lán)寶石樣品得到,為利用飛秒激光在藍(lán)寶石表面進(jìn)行更為復(fù)雜精密的圖案加工提供了參考.

圖9 利用飛秒激光制備的微納圖案的掃描電鏡照片 (a),(d)圖案整體;(b),(c),(e),(f)局部細(xì)節(jié)放大圖(P=1.29 mW, (a)v=0.1 mm/s,(d)v=0.02 mm/s)Fig.9.SEM images of micro-nano structures fabricated with femtosecond laser pulses：(a),(d)Designed patterns; (b),(c),(e),(f)partial enlarged details(P=1.29 mW,(a)v=0.1 mm/s,(d)v=0.02 mm/s).

4 結(jié) 論

本文中利用波長為343 nm、重頻為90 kHz的飛秒激光在藍(lán)寶石晶體表面加工得到了線寬為約61 nm的直線納米結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)線寬遠(yuǎn)小于約1μm的光斑尺寸,實現(xiàn)了在藍(lán)寶石表面超越光學(xué)衍射極限的加工精度;并且探索了在保證最小線寬前提下微納結(jié)構(gòu)間的最小間距,約為142 nm左右;同時研究了飛秒激光加工過程中加工參數(shù)對藍(lán)寶石表面微納結(jié)構(gòu)線寬的影響,分別控制激光功率、掃描速度兩個參數(shù),制備了不同參數(shù)下的結(jié)構(gòu).將所得線寬數(shù)值進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)隨著激光功率增加,結(jié)構(gòu)線寬增加;隨著掃描速度的增加,微納結(jié)構(gòu)線寬減小.最后在藍(lán)寶石材料表面設(shè)計并加工了特定微小圖案結(jié)構(gòu),為以后在藍(lán)寶石材料表面進(jìn)行更復(fù)雜、更高質(zhì)量的圖案加工提供了參考.

[1]Wu D 2010 Ph.D.Dissertation(Changchun：Jilin University)(in Chinese)[吳東2010博士學(xué)位論文(長春：吉林大學(xué))]

[2]Shrawan S,Sreenivasan S V 2016 Microelectron.Eng. 164 139

[3]Ravi B,Hartley K,John G 2016 J.Vac.Sci.Technol. B 34 06K606

[4]Fang R R,Anatoliy V,Guo C L 2017 Light:Sci.Appl. 6 e16256

[5]Zhang Y L,Guo L,Wei S,He Y Y,Xia H,Chen Q D, Sun H B,Xiao F S 2010 Nano Today 5 15

[6]Wang L,Zhu S J,Wang H Y,Qu S N,Zhang Y L, Zhang J H,Chen Q D,Xu H L,Han W,Yang B 2014 ACS Nano 8 2541

[7]Sun Y L,Dong W F,Niu L G,Jiang T,Liu D X,Zhang L,Wang Y S,Chen Q D,Kim D P,Sun H B 2014 Light: Sci.Appl.3 e129

[8]Gao B R,Wang H Y,Hao Y W,Fu L M,Fang H H, Jiang Y,Wang L,Chen Q D,Xia H,Pan L Y 2010 J. Phys.Chem.B 114 128

[9]Zhang Y L,Chen Q D,Xia H,Sun H B 2010 Nano Today 5 435

[10]Zhang Y L,Xia H,Kim E,Sun H B 2012 Soft Matter 8 11217

[11]Xia H,Wang J,Tian Y,Chen Q D,Du X B,Zhang Y L,He Y,Sun H B 2010 Adv.Mater.22 3204

[12]Guo L,Jiang H B,Shao R Q,Zhang Y L,Xie S Y,Wang J N,Li X B,Jiang F,Chen Q D,Zhang T 2012 Carbon 50 1667

[13]Wu D,Chen Q D,Niu L G,Wang J N,Wang J,Wang R,Xia H,Sun H B 2009 Lab On A Chip 9 2391

[14]Wu D,Wang J N,Wu S Z,Chen Q D,Zhao S,Zhang H,Sun H B,Jiang L 2011 Adv.Funct.Mater.21 2927

[15]Kawata S,Sun H B,Tanaka T 2001 Nature 412 697

[16]Tan D F,Li Y,Qi F J,Yang H,Gong Q H,Dong X Z, Duan X M 2007 Appl.Phys.Lett.90 071106

[17]Yu B H,Dai N L,Wang Y,Li Y H,Ji L L,Zheng Q G, Lu P X 2007 Acta Phys.Sin.56 5821(in Chinese)[余本海,戴能利,王英,李玉華,季玲玲,鄭啟光,陸培祥2007物理學(xué)報56 5821]

[18]Yun Z Q,Wei R X,Li W,Luo W W,Wu Q,Xu X G, Zhang X Z 2013 Acta Phys.Sin.62 068101(in Chinese) [云志強(qiáng),魏汝省,李威,羅維維,吳強(qiáng),徐現(xiàn)剛,張心正2013物理學(xué)報62 068101]

[19]Shimotsuma Y,Kazansky P G,Qiu J R,Hirao K 2003 Phys.Rev.Lett.91 247405

[20]Liao Y,Ni J L,Qiao L L,Huang M,Bellouard Y,Sugioka K,Cheng Y 2015 Optica 2 329

[21]Miyaji G,Miyazaki K 2016 Opt.Express 24 4648

[22]Sui C H,Cai P G,Xu X J,Chen N B,Wei G Y,Zhou H 2009 Acta Phys.Sin.58 2792(in Chinese)[隋成華,蔡萍根,許曉軍,陳乃波,魏高堯,周紅2009物理學(xué)報58 2792]

[23]Kuang W J,Wu X Q,Wang X,Han E H 2015 Corrosion 71 687

[24]Wang H B,Daigo Y,Seino T,Ishibashi S,Sugiyama M 2016 Jpn.J.Appl.Phys.55 105501

[25]Chen L 2009 M.S.Dissertation(Changchun：Jilin University)(in Chinese)[陳磊2009碩士學(xué)位論文(長春：吉林大學(xué))]

[26]Li Q K,Cao J J,Yu Y H,Wang L,Sun Y L,Chen Q D,Sun H B 2017 Opt.Lett.42 543

[27]Qi L T,Hu J P,Yu X W 2012 J.Heilongjiang Instit. Sci.Technol.22 297(in Chinese)[齊立濤,胡金平,于信偉2012黑龍江科技學(xué)院學(xué)報22 297]

[28]Zhao K H,Zhong X H 1984 Optics (Vol.1)(Beijing：Peking University Press)p228(in Chinese)[趙凱華,鐘錫華1984光學(xué)(上冊)(北京：北京大學(xué)出版社)第228頁]

[29]Gan F X,Wang Y 2011 Acta Opt.Sin.31 0900104(in Chinese)[干福熹,王陽2011光學(xué)學(xué)報31 0900104]

[30]Huang M,Zhao F L,Cheng Y,Xu N S,Xu Z Z 2009 ACS Nano 3 4062

[31]Yang M 2014 Ph.D.Dissertation(Tianjin：Nankai University)(in Chinese)[楊明2014博士學(xué)位論文(天津：南開大學(xué))]

[32]Emmony D C,Howson R P,Willis L J 1973 Appl.Phys. Lett.23 598

[33]Young J F,Sipe J E,Vandriel H M 1984 Phys.Rev.B 30 2001

[34]Bonse J,Rosenfeld A,Kriiger J 2011 Appl.Surf.Sci. 257 5420

[35]Varlamova O,Reif J,Varlamov S 2010 E-MRS Symposium R on Laser Processing and Diagnostics for Micro and Nano Applications Strasbourg,France,Jun 7–11, 2010 p5465

[36]Reif J,Varlamova O,Varlamov S Bestehorn M 2011 Appl.Phys.A:Mater.Sci.Pro.104 969

[37]Young J F,Sipe J E,Vandriel H M 1983 Opt.Lett.8 431

[38]Hnatovsky C,Taylor R S,Simova E,Rajeev P P,Rayner D M,Bhardwaj V R,Corkum P B 2006 Appl.Phys.A: Mater.Sci.Pro.84 47

[39]Wang L 2015 Ph.D.Dissertation(Changchun：Jilin University)(in Chinese)[王磊2015博士學(xué)位論文(長春：吉林大學(xué))]

PACS:79.20.Eb,68.37.Hk,81.16.—c,68.35.—p DOI:10.7498/aps.66.147901

Sub-di ff raction-limit fabrication of sapphire by femtosecond laser direct writing?

Gao SiWang Zi-Han Hua Jian-Guan Li Qian-Kun Li Ai-Wu?Yu Yan-Hao?
(College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)

30 March 2017;revised manuscript

19 May 2017)

Sapphire has shown broad application prospects in military and medical fields,due to its high hardness,excellent corrosion resistance and high transmission in the infrared band.However,these characteristics have also brought about lots of difficulties in machining or chemical etching the material.Femtosecond laser processing with excellent characteristics including small heat-a ff ected zones and high processing resolution ratio,has become an emerging field.Therefore, it has important application prospects and has found increasingly wide applications in the fields of material modi fi cation and high-quality fabrication of three-dimensional micro-nano structures and devices.In this paper,we propose a method in which femtosecond laser processing based on multi-photon absorption is used to process sapphire beyond the optical di ff raction limit.In this work,femtosecond laser with a central wavelength of 343 nm is focused on the sapphire and the surface of sapphire is scanned with the high-precision piezoelectric positioning stages.Nano structures each with a width of about 61 nm are obtained,and the minimum space between the nano structures could be as short as about 142 nm.Further,the in fl uences on the processing resolution from laser power and scanning speed are investigated and the generation mechanism for the nano-ripple structure is discussed.Finally,femtosecond laser processing on the sapphire with a resolution beyond the optical di ff raction limit is achieved.This work provides a reference for processing the hard and brittle materials by femtosecond laser.

femtosecond laser processing,optical di ff raction limit,sapphire,micro-nano structures

:79.20.Eb,68.37.Hk,81.16.—c,68.35.—p

10.7498/aps.66.147901

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：61590930,91323301,61435005,21473076)資助的課題.

?通信作者.E-mail：liaw@jlu.edu.cn

?通信作者.E-mail：yanhao_yu@jlu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61590930,91323301,61435005, 21473076).

?Corresponding author.E-mail：liaw@jlu.edu.cn

?Corresponding author.E-mail：yanhao_yu@jlu.edu.cn