日本研究人员使用径向偏振激光束提高超快激光加工精度

超快激光加工中的高空间分辨率在半导体制造、汽车零部件工业、医疗设备制造和其他领域越来越重要。在激光加工中，精度和空间分辨率主要受激光束焦斑尺寸的影响。光的衍射通常会限制可实现的光斑尺寸，这取决于透镜的数值孔径（NA）和聚焦激光束的波长。

环形径向偏振光束聚焦于玻璃板背面的单次激光加工概念图

日本东北大学的一个研究小组研究了如何使用径向偏振激光束（也称为矢量光束）来提高超快激光加工的加工精度和分辨率。径向偏振光束会在聚焦点产生纵向电场。与传统的线偏振或圆偏振光束相比，径向偏振光束产生的焦斑较小，尤其是在使用高纳镜头进行紧密聚焦时。

虽然径向偏振光束有望提高激光纳米加工的精度和分辨率，但人们发现，由于空气-材料界面的光折射，径向偏振光束的纵向场在材料内部会减弱。为了更好地了解界面如何影响焦点处的纵向场，研究人员使用径向偏振光束紧紧聚焦在玻璃表面，对透明玻璃样品进行了单次激光烧蚀。他们研究了高数值孔径条件下界面边界条件的影响。

当研究人员使用浸入式透镜将径向偏振光束从内部聚焦到玻璃背面时，焦点处的纵向电场显著增强。研究人员能够产生一个小焦斑，他们将其归因于玻璃表面增强的纵向电场，并实现了直接激光加工。

Yuichi Kozawa教授说，研究人员使用了一种浸油物镜，就像生物显微镜中的物镜一样。Kozawa说：由于浸油和玻璃的折射率几乎相同，因此穿过它们的光线不会弯曲。通过从内部将径向偏振光束聚焦到玻璃背面，研究人员甚至可以在材料内部增强纵向场，直接诱发光物质相互作用。

用环形径向偏振光束对玻璃背面进行单次激光照射，制造出大小相当于约1/16波长的烧蚀坑

研究人员利用环形径向偏振光束创建了一个小焦点。光束纵向场形成的小焦斑使研究人员能够通过全内反射制造出一个细小的点状67纳米烧蚀孔，约为激光束波长的1/16。实验结果表明，使用径向偏振光束缩小激光材料加工尺度和实现激光纳米加工是一种潜在方法。这些发现可以推动在高纳辐射环境中使用径向偏振光束进行激光烧蚀加工的发展。

激光加工广泛应用于各行各业，用于生产电子元件、机械零件、精密机械和医疗设备。宽度从皮秒到飞秒的超短激光脉冲可实现微米级的精确加工，但现有方法难以实现100纳米以下的激光机加工。Kozawa说：这一突破利用增强的纵向电场实现了更高精度的直接材料加工。它提供了一种实现100纳米以下加工尺度的简单方法，为激光纳米加工在各行业和科学领域的应用开辟了新的可能性。