超快激光加工：精度的極致追求，探索量子極限的奧秘
隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)制造工藝的要求也越來(lái)越高。超快激光加工，作為近年來(lái)備受矚目的高新技術(shù)，以其獨(dú)特的加工方式和極高的精度，在工業(yè)制造領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而如今，科學(xué)家們正在嘗試將超快激光加工的精度推向量子極限，這將為未來(lái)的制造業(yè)開(kāi)啟全新的可能性。
超快激光加工是一種利用超短脈沖激光對(duì)材料進(jìn)行微納加工的技術(shù)。這種技術(shù)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)將能量高度集中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的快速、高效、高精度加工。相比于傳統(tǒng)的加工方式，超快激光加工具有更高的靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜形狀和材料的加工需求。
然而，超快激光加工的精度受到許多因素的影響，其中最重要的是激光的脈沖寬度和能量穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)更高的精度，科學(xué)家們不斷探索新的加工方法和材料，同時(shí)對(duì)激光器的性能進(jìn)行優(yōu)化。目前，超快激光加工的精度已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)別，為制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力。
隨著超快激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們開(kāi)始思考如何將其精度推向量子極限。量子極限是指一個(gè)物理量無(wú)法再被細(xì)分的最小極限，對(duì)于超快激光加工來(lái)說(shuō)，就是指在加工過(guò)程中能夠控制的最小能量單位。如果能夠?qū)崿F(xiàn)超快激光加工的量子極限控制，那么將有望實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)、高效的加工方式。
要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要深入理解激光與物質(zhì)相互作用的基本原理，同時(shí)開(kāi)發(fā)出更為先進(jìn)的激光器和加工方法。目前，科學(xué)家們正在通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)超快激光加工的量子極限進(jìn)行探索和研究。雖然這一過(guò)程充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)，但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷突破，相信在不久的將來(lái)，我們一定能夠?qū)崿F(xiàn)超快激光加工的量子極限控制。
超快激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，不僅將推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，也將為其他領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超快激光加工技術(shù)可以用于制備微納尺度的生物樣品和器件，為生命科學(xué)研究提供更為精準(zhǔn)的工具；在信息科技領(lǐng)域，超快激光加工有望實(shí)現(xiàn)更快的通信速度和更高的存儲(chǔ)密度；在能源領(lǐng)域，超快激光加工可用于高效太陽(yáng)能電池和微型熱電發(fā)電器等領(lǐng)域。
超快激光加工精度接近量子極限
衍射極限，開(kāi)啟量子制造新時(shí)代！
飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)是一種具備三維加工能力的制造技術(shù)，其加工分辨率問(wèn)題一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)和國(guó)際研究前沿。采用多光子吸收可以在聚合物材料中達(dá)到亞10 nm精度，在硬質(zhì)材料中可以達(dá)到亞百納米精度，超越光學(xué)衍射極限。然而，激光加工精度能否進(jìn)一步突破，下一個(gè)極限精度是什么？研究人員實(shí)現(xiàn)了接近量子極限的激光加工精度，為單光子及量子比特器件的激光制備提供了新的技術(shù)路線。
背景
飛秒激光加工是當(dāng)今世界最重要的精密加工手段之一，其獨(dú)特的加工方式使其能夠?qū)崿F(xiàn)任意三維結(jié)構(gòu)的加工制備，從而在集成光學(xué)、量子集成芯片等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其能夠在非真空條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)掩?？焖倏虒?xiě)，并實(shí)現(xiàn)超越光學(xué)衍射極限的加工精度。隨著科技的不斷進(jìn)步，各類(lèi)納米器件、光量子器件、光子芯片的制備對(duì)加工精度提出了更高的要求。例如，單電子晶體管、單光子發(fā)射器、單原子存儲(chǔ)器或量子比特器件等都需要更高的制造空間分辨率（小于10納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出光學(xué)衍射極限）。為了滿(mǎn)足這些需求，研究激光極限加工精度和探索飛秒激光近原子尺度制造的新技術(shù)、新機(jī)理變得至關(guān)重要。在飛秒激光加工領(lǐng)域，研究者們一直在探索繼光學(xué)衍射極限之后的下一個(gè)極限精度。這一極限精度的突破將為各類(lèi)光量子器件、集成量子芯片的發(fā)展和制備提供新的技術(shù)路線和更廣闊的發(fā)展前景。下一個(gè)極限精度是什么？
技術(shù)突破
飛秒激光近原子尺度制造的技術(shù)難點(diǎn)源于點(diǎn)缺陷的物理尺寸與衍射極限焦斑之間接近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。要實(shí)現(xiàn)近原子尺度激光加工需要精確鎖定材料的損傷閾值，然而材料損傷的檢測(cè)方式（例如光譜檢測(cè)，掃描電子顯微鏡等）依賴(lài)于儀器的靈敏度，難以確定材料的本征損傷閾值（化學(xué)鍵強(qiáng)度）。
針對(duì)此難點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了閾值追蹤鎖定技術(shù)（TTL技術(shù)）并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了亞5nm精度的激光制造。此方法利用額外的激光脈沖（探測(cè)光）來(lái)檢測(cè)目標(biāo)材料在初始脈沖（加工光）作用下是否已經(jīng)產(chǎn)生了原子損傷。如果加工脈沖已經(jīng)產(chǎn)生了原子損傷，在探測(cè)脈沖的作用下，該損傷區(qū)域會(huì)被進(jìn)一步擴(kuò)大從而在光學(xué)顯微鏡下被探測(cè)到。
值得一提的是，這種反饋方法不依賴(lài)于儀器的探測(cè)靈敏度，可以精確鎖定目標(biāo)材料的本征損傷閾值從而進(jìn)行納米尺度的激光制造。反饋機(jī)制的引入，使得我們能夠精準(zhǔn)控制激光對(duì)材料的加工過(guò)程，極大地提升了加工精度。
更重要的是，當(dāng)激光能量接近原子尺度損傷閾值時(shí)，單個(gè)原子的激光燒蝕并不一定發(fā)生在聚焦光斑的幾何中心。這是由于在該極限狀態(tài)下，入射激光提供的能量梯度（高斯分布的頂端）將非常平緩。而此時(shí)，在近原子尺度下，晶格中的電子由于量子力學(xué)不確定性原理，其位置波動(dòng)和能量漲落的不確定性將接近甚至大于激光提供的能量梯度。由激光能量梯度定義的擊穿區(qū)域?qū)⑹?，原子的燒蝕主要電子位置的波動(dòng)，能量的漲落來(lái)主導(dǎo)，表現(xiàn)為原子在某一個(gè)區(qū)域（~幾納米，具體數(shù)值跟目標(biāo)材料相關(guān)）隨機(jī)擊穿或去除。
該工作中的激光制造精度已達(dá)到量子極限，這是繼光學(xué)衍射極限之后的一個(gè)新的里程碑。這一突破意味著我們可以利用飛秒激光在原子尺度上制造出更加復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)于未來(lái)的納米科技和量子計(jì)算領(lǐng)域具有重大意義。
圖1.飛秒激光近原子尺度制造精度的機(jī)制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
將該制造方法應(yīng)用于量子光源的制備，成功在寬禁帶半導(dǎo)體中制備出了納米級(jí)定位精度的高性能單光子源。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序的控制，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、任意圖案的單光子源陣列的激光制備，以確定性的方式在激光加工位點(diǎn)獲得一個(gè)單光子源，產(chǎn)率近乎達(dá)到100%，單光子純度非常高。
此外，利用飛秒激光近原子尺度制備的量子光源具有非常高的亮度，每秒可以發(fā)射近千萬(wàn)個(gè)光子（目前可見(jiàn)光波段亮度最高），并且具有高的光子計(jì)數(shù)穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)室條件下，這些單光子源在持續(xù)一年的時(shí)間里一直保持非常穩(wěn)定和優(yōu)越的性能。
值得一提的是，TTL技術(shù)具有廣泛的材料適應(yīng)性，開(kāi)辟了納米器件制備工藝新途徑，在各類(lèi)光量子器件、納米傳感器件的激光制備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。通過(guò)使用該技術(shù)，我們能夠以前所未有的精度和效率制備出高質(zhì)量的單光子源，為未來(lái)的量子科技和納米制造領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。
總之，超快激光加工技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，其精度推向量子極限將為未來(lái)的科技發(fā)展帶來(lái)無(wú)限可能。讓我們期待著這一天的到來(lái)，同時(shí)也希望科學(xué)家們能夠不斷突破技術(shù)瓶頸，為人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
超快激光加工：精度的極致追求，探索量子極限的奧秘
01-09-2024
