近日，昆明理工大学陈智、邱建备团队第一单位，联合浙大等国内外多家单位，巧妙地利用球差增强效应和非线性限域效应，开发了一种湿化学辅助的单脉冲飞秒激光纳米光刻技术（wet-chemical etching assisted aberration-enhanced single-pulsed femtosecond laser nanolithography: WEALTH），实现了25 nm超小孔径、10⁴:1超高深径比、10 mm²甚至cm²级超大面积的孔洞纳米结构制造，性能和指标远超传统光刻技术。相关成果以「25 nm-Feature, 10⁴-Aspect-Ratio, 10 mm²-Area Single-Pulsed Laser Nanolithography」为题于2025年08月12日在线发表在Nature Communication上。WEALTH的发明对于实现大面积、消色差、宽带可调的超透镜、纳米光子结构器件、纳米生物传感检测器件等具有重要意义。
研究背景
硬脆材料中超小孔径、超高深径比、超大面积的高效纳米结构加工制造，是各种纳米光子结构器件应用一直追求的。通常采用传统光刻工艺，但存在效率低成本高的问题，而且结构特征尺寸难以突破100 nm且深径比难以超越30:1。
高效、低成本超快激光光刻技术备受青睐。邱建荣教授团队先后提出了利用飞秒激光在硬脆材料内部进行时空3D光刻技术（详见2020年和2022年中国光学十大进展以及中国科学十大进展），这为硬脆材料的超快激光光刻技术开辟了全新赛道，但远超光学衍射极限的纳米高效加工依然是一个难以克服的瓶颈。
研究创新点
当提到球差效应，人们的第一印象就是要想尽办法克服，传统超快激光加工领域也不例外。我们团队发现，当利用球差增强效应时，单脉冲飞秒激光与单晶相互作用会促使聚焦光场能量重新分布，聚焦光束被拉长，并且激光高斯光束中心区域与单晶作用只会导致局域非晶化，而周围影响区产生晶格扭曲；湿化学刻蚀溶液只会与非晶化区域材料发生化学刻蚀反应，而不会刻蚀晶格扭曲的晶体区域，进而可精细控制孔洞纳米结构的加工（图1a-e）。相比之下，传统超快激光加工主要基于微爆炸，以贝塞尔光束激光加工为例，其在纳米结构特征尺寸、深径比、占空比等性能指标方面都比WEALTH技术逊色（图1f）。
图1 | WEALTH技术与传统贝塞尔光束激光加工的性能对比。
超小孔径和超高深径比的实现是WEALTH技术的一个独特优势，其加工制造的孔洞纳米结构最小直径为25 nm（图1d），深径比高达10⁴:1（图1c和图1f）。相比之下，传统的贝塞尔光束激光加工的最小孔洞纳米结构尺寸难以突破100 nm的加工极限（图1f），而且可加工的孔洞纳米结构的深径比难以超越10³:1（图1f）。WEALTH技术的超小尺寸和超高深径比纳米结构制造优势，非常有利于大面积、消色差、宽带可调的紫外-可见-近红外超透镜开发，提高加工制造效率的同时降低成本。
孔洞纳米结构灵活可控性是WEALTH技术的另一个独特优势，比如可以实现任意取向的纳米孔阵列。传统的超快激光加工技术，以贝塞尔光束激光加工为例，受旁瓣效应影响，相邻纳米孔结构加工前后会受影响，导致纳米孔间距难以做小，进而无法实现致密、高占空比、大面积孔洞基纳米结构阵列加工制造。此外，贝塞尔光束激光加工存在偏振依赖性，导致孔洞基纳米结构的形状、取向和分布操控困难。
相比之下，WEALTH技术可实现最小间距450 nm（图1f和图2a）、占空比>70%（图2b）的纳米孔加工。此外，由于球差增强的单脉冲飞秒激光与单晶相互作用能量重新分布，我们发现其加工不具有偏振依赖性，非常有利于借助光束整形技术，实现对纳米孔的形状、取向和分布任意操控（图2c-e）。WEALTH技术这种孔洞纳米结构灵活可控性可以应用于新兴的纳米光子结构器件、特异性免疫生物传感探测、超精细纳米切割、3D光子集成和高密度光数据存储等众多应用领域。
图2 | WEALTH技术对纳米孔的占空比、形状、取向和分布操控。
总结与展望
超快激光自发明以来，超快激光技术和应用已相继诞生了4项诺贝尔奖。超快激光因其超强超短光脉冲特性，对科学研究和工业应用产生了重大影响。 超快激光已在激光打孔、切割、焊接等加工领域展现独特优势。而WEALTH有望进一步解决大面积、消色差、超宽带纳米光子结构器件制造和应用的瓶颈，得到广泛的应用，推动超快激光应用向纵深发展。
论文的第一作者为昆明理工大学陈智教授，宁波大学钟理京副研究员为共同第一作者，通讯作者为昆明理工大学陈智教授、宁波大学钟理京副研究员、之江实验室马志军研究员、华中科技大学张静宇研究员、新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授、浙江大学邱建荣教授。昆明理工大学邱建备教授、华南理工大学董国平教授、浙江大学刘小峰副教授、许贝贝研究员、意大利比萨大学Giuseppe Barillaro教授等也为该工作做出了重要贡献。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62426-1
青编风采
陈智，教授，博导。昆明理工大学材料科学与工程学院，第三层次高层次引进人才。主持国基面上和青年、浙江省重点项目、云南省“兴滇英才”-青年人才项目等项目，且以科研骨干参与欧盟地平线2020、科技部“科技创新2030”、科技部国家重点研发计划、华为技术横向等项目。2017年博士毕业于华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，先后在美国Florida State University（2017-2018）、意大利University of Pisa（2018-2021）、之江实验室（2021-2024）担任博士后、研究助理（Research Assistant）、副研究员。研究方向：面向光量子芯片制造—飞秒激光加工光电材料与器件，以一作/通讯在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Light Sci. Appl.、Prog. Mater. Sci.等期刊发表SCI论文70余篇。申请专利15项，其中5项已授权，10项在审。制定国家团体标准1项。担任Nat. Commun.、Light Sci. Appl.、Adv. Funct. Mater.等期刊的特约审稿人。获云南省“兴滇英才”-青年人才称号、“中国硅酸盐学会优秀博士学位论文”提名奖，担任《Chip》和《激光与光电子学进展》的青年编委，以及“光电材料与器件”专委会委员。受邀在CIOP2024、LTO2025/2024/2023、ICG2024、ICMAT2017等国际国内学术会议上做特邀报告20余次。
招生计划
每年拟招博士生1-2名，硕士生4-5名（诚挚欢迎超快激光微纳加工、光电材料与器件、材料物理与化学、光学、硅基光子、光纤通信与传感、拓扑光子、光子计算、电子信息、计算机等相关背景的本科生、硕士生、博士生、博士后加入我们）
招聘计划
陈智老师刚加入昆明理工大学组建团队，亟需招聘3-4名青年教师，请有意者联系陈智老师
陈智 教授
邮箱：zhichen@kust.edu.cn
电话：13826045506(微信同号)
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