提出自适应光束整形技术突破微槽精密控形加工瓶颈

复杂截面微槽在航空航天、生物医疗等领域具有重要应用，但其精密加工（尤其针对难加工材料）仍面临巨大挑战。虽然图案化激光烧蚀技术可实现多材料微沟槽制备，但离焦平面衍射导致的能量分布变化及材料对偏振态激光的吸收差异，使得微槽轮廓与光斑形状的关联性难以精确控制，制约了特定截面结构的可控制备。

研究团队提出一种自适应光束整形方法（如图1.1所示），通过建立结合“光束传输衍射”与“偏振相关能量吸收率”的激光烧蚀轮廓演化模型，精准预测微槽形貌并用于指导光斑形状迭代优化。在仿真模型中，根据仿真轮廓与目标轮廓的差异动态调整光束形状，经动态微调后的光斑，可在加工宽度为10μm的微槽时，保证其轮廓均方根误差低至0.5μm（如图1.2所示）。自适应光束整形结合激光直写技术，成功实现了三角形、梯形及函数化曲面微结构的高精度加工（如图1.2所示）。该技术为难加工材料的微槽加工提供了新策略，同时为高精度微结构在工业领域的应用开辟了创新路径。

相关成果以“Adaptive beam-shaping enabled high-precision patterned laser micro-grooving”为题，发表于 International Journal of Extreme Manufacturing。南方科技大学机械与能源工程系毕业生邱佩博士和2021级博士生李峻为文章共同第一作者，徐少林为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。

图1.1. 基于精确演化模型的自适应光束整形技术流程图

图1.2. 控形能力验证和不同横截面轮廓的偏差分析（a）三角形；（b）梯形；（c）半圆形；（d）U 形

创新性设计全玻璃纳米孔超构透镜显著提升光波调制性能

超构透镜是一种由亚波长结构单元组成的平面光学器件，能通过精确调控光波的相位、振幅及偏振特性，实现对光场的高效操控。与传统光学透镜相比，超构透镜具有轻薄化、紧凑化及多功能集成等显著优势，在成像、显示、传感等领域展现出巨大应用潜力。然而，传统纳米柱超构透镜因受限于结构单元的纵横比与占空比约束，常面临相位延迟不足的瓶颈问题，严重制约其性能提升与功能拓展。

针对这一挑战，研究团队提出全玻璃纳米孔超构透镜设计，通过采用亚波长周期、深度可调且占空比固定的高深径比纳米孔作为相位调制单元，成功实现线性2π相位延迟，显著提升光波调制性能。在此基础上，团队开发了非衍射贝塞尔光束光刻技术（图2.1），利用凹锥透镜相位图调制的贝塞尔光束特性，确保纳米孔沿深度方向的直径一致性。结合热退火与化学刻蚀后处理工艺，最终制备出周期低至800nm、深度超10μm且形貌可控的无损纳米孔阵列。该技术在1.55μm通信波长下的调制效率达97%，并成功制备了直径2cm的大面积超构透镜及轴棱镜、涡旋波片、闪耀光栅等多类光学器件（图2.2）。这一突破不仅攻克了传统超构透镜的相位延迟限制，更通过超快激光加工技术实现了高精度、高效率的微纳制造，为低成本定制化超构透镜的产业化应用提供了全新解决方案。

相关成果以“All-glass Nanohole metalens by Non-diffracting Laser Lithography”为题，发表于 Laser & Photonics Reviews。南方科技大学机械与能源工程系博士后徐康和硕士郑满冬为共同第一作者，徐少林为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。

图2.1. 全玻璃纳米孔超构透镜超快激光加工示意图（a）无衍射贝塞尔激光加工方法示意图；（b）加工的纳米孔断面表征；（c）大面积超构透镜照片及成像效果

图2.2. 多样化超构透镜（a-c）闪耀光栅；（d-g）超大底角（17°）锥透镜；（h,i）八阶涡旋波片

设计高激光诱导损伤阈值增透光学元件，取得超快激光复合制造技术突破

增透光学元器件在现代光学应用尤其是激光加工系统中承担着关键作用，而在面对高功率激光的应用场景时，常见的镀膜增透的方式面临挑战，这限制了增透技术的应用与推广。如何提高增透技术的激光诱导损伤阈值以满足高功率激光的应用需求值得进一步研究。

针对这一需求，研究团队提出一种超快激光加工技术和原位去湿辅助等离子体刻蚀方法（如图3.1所示），通过在熔融石英玻璃光学元件表面镀一层铂（Pt）金属薄膜，在高能等离子体的持续辐照和轰击下，由于瑞利不稳定性，金属薄膜会逐渐演化形成均匀分布的纳米金属颗粒，充当纳米掩模的作用，在基底材料上刻蚀形成均匀分布的锥形纳米结构，结合超快激光加工技术，在石英玻璃材料表面实现了光学微结构复合纳米锥阵列减反射结构的高效制备。纳米锥的形成得益于金属薄膜在高能等离子体辐照下由马兰戈尼效应驱动的去湿行为所形成的纳米颗粒掩模，具有强耐刻蚀性以及去湿形成均匀纳米颗粒的Pt可以实现高深径比、高密度的纳米锥阵列的制备。通过控制金属薄膜厚度或者结合钝化二次刻蚀过程，可以灵活制备直径62-136nm、高度126-942nm可调的纳米锥阵列结构。该方法制备的增透微光学元件在0.3-2.5μm波段上平均透过率达到98%，聚焦效率提高至原来的1.1倍，并保持了原熔融石英玻璃材料79.4%的激光诱导损伤阈值（如图3.2所示），实现了高激光诱导损伤阈值的增透微光学元件。

相关成果以“In Situ Dewetting Assisted Plasma Etching of Large-Scale Uniform Nanocones on Arbitrarily Structured Glass Elements”为题，发表于 Advanced Functional Materials。南方科技大学机械与能源工程系毕业生胡劲博士为论文第一作者，徐少林为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。

图3.1. 原位去湿辅助等离子体刻蚀方法示意图及其结构演变过程

图3.2. 高激光诱导损伤阈值光学元件的透过率与损伤阈值表征

提出超快激光跨尺度图案化光刻新方法，助力MIM超构器件制备

金属-绝缘体-金属（MIM）结构超构器件因其多层膜结构具备低损耗、高调制效率、工艺兼容性好等优点，在光束整形、全息成像、红外完美吸收等先进光学应用中展现出巨大潜力。然而，传统制造方法难以在保证分辨率的同时实现大面积表面结构的高效一致加工，制约了MIM器件的规模化应用。

针对这一难题，研究团队提出“跨尺度图案化脉冲激光光刻（PPLL）”新方法，通过空间光调制器（SLM）对超快激光光源进行二元图案化整形，实现单次曝光即可加工复杂自由曲面图案，大幅提升加工效率（图4.1）。通过改进光路系统（8f系统）与反高斯灰度数字掩模优化能量分布，研究人员实现了超过100*100μm²的单次曝光面积和近衍射极限（300nm）的空间分辨率，兼顾了加工高精度和大面积加工一致性。在结构设计方面，研究团队构建了由20nm的相变材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）薄膜层、Al₂O₃绝缘层、金属反射层组成的MIM结构。仿真与实验结果表明，该结构可实现接近半波相位延迟，有效突破了单层膜相位调制能力不足的瓶颈，显著提升了光场调控能力。

图4.1 跨尺度图案化脉冲激光光刻方法示意图 （a）空间光调制器实现强度调控的光路结构；（b）一次曝光加工4单元Dammann光栅图案的原理示意；（c）单层结构光栅的显微图像及其衍射效果；（d）MIM结构光栅的显微图像及其光束分束效果

基于该方法，研究团队成功制备出具有高均匀性和高衍射效率的Dammann光栅，以及清晰重构图像的MIM全息器件（如图4.2所示）。该方法可在数分钟内完成厘米级器件的高精度加工，展现出极高的制造效率与光学调控能力。

图4.2 MIM全息超构器件的设计与表征 （a-d）任意计算全息图（CGH）相位图的设计；（e）二值CGH图的二维傅里叶变换结果；（f,g）光学显微镜下的器件形貌；（h）扫描电镜下的结构细节；（i）520 nm激光重构出的全息图像。激光加工能量密度为0.04 J/cm²

该成果为超快激光在超构器件领域的规模化制备提供了新思路，为低损耗、高性能的平面光学元件开辟了超快激光制备的新路径。相关成果以“Cross-Scale Patterned Pulse Laser Lithography for MIM meta-Devices Processing”为题发表于 Advanced Materials Technologies。南方科技大学机械与能源工程系博士生黄凌羽为论文第一作者，徐少林为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。

原子尺度结构演变揭示超快激光加工金刚石的相变机制

单晶金刚石作为超宽带隙半导体材料，在电子器件与量子技术领域具有重要应用价值。超快激光加工技术虽为金刚石微纳制造提供了独特优势，但其瞬态能量沉积诱导的原子级结构演化机制尚未明晰，阻碍了该技术的进一步发展。

研究团队发现，当飞秒激光脉冲连续作用于金刚石表面时，超快力-热耦合效应会引发周期性结构演变：早期脉冲导致的不可逆相变将改变材料状态，进而影响后续脉冲与材料的相互作用，最终形成表面及亚表面的多层级纳米结构。通过系统分析飞秒激光加工中的超快动力学过程、电场分布特性及烧蚀机制，团队首次提出纳米复合碳结构的顺序相变机制（图5.1），推翻了传统“石墨化”理论对相变过程的单一解释。该研究从原子尺度揭示了金刚石在超快激光作用下的动态响应规律，为其超精密加工及功能碳材料的可控合成提供了理论支撑。

相关成果以“Atomic-level insight into sequential evolution of nanocomposite carbon structures in femtosecond laser processing of diamond”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毕业生韩慧莉博士为论文第一作者，徐少林和机械与能源工程系讲席教授张璧为共同通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。

图5.1.飞秒激光加工单晶金刚石的相变机制示意图

系统性解析超分辨激光加工技术路径与突破方向

超分辨激光加工技术通过突破光学衍射极限，为半导体、生物医学等领域的精密微纳制造开辟了新路径。然而，传统激光技术长期受限于分辨率与效率的矛盾：高精度加工需牺牲产能，而大规模生产则难以兼顾精度，严重制约其工业化应用。

本综述系统梳理了两类核心超分辨方法(图6.1和图6.2)：“缩小衍射极限”（通过缩小激光波长、优化聚焦系统压缩光斑尺寸）与“绕过衍射极限”（利用非线性效应、近场增强等物理机制突破传统光学限制）。同时，通过激光参数选择、加工策略优化和时空调制等方式以调控材料-光场相互作用，以及对新型高速光学加工系统开发，可有效平衡分辨率与效率矛盾。该综述进一步展望了跨学科融合下超分辨激光加工技术在进一步发展中可能的前进方向及其产业化潜力，为下一代精密制造技术革新提供了重要理论框架。

图6.1. 如何实现超分辨激光加工

图6.2.实现超分辨激光加工的两类途径

该综述以“Super-resolution laser machining”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毕业生黄佳旭博士为第一作者，徐康博士参与撰写，徐少林为通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。