飛秒激光直寫技術(shù)：突破光學(xué)衍射極限 開啟量子制造新時(shí)代！

導(dǎo)讀

飛秒激光直寫技術(shù)是一種具備三維加工能力的制造技術(shù)，其加工分辨率問題一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)和國際研究前沿。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)勢在于其能夠在非真空條件下實(shí)現(xiàn)無掩?？焖倏虒?，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方式（例如光譜檢測，掃描電子顯微鏡等）依賴于儀器的靈敏度，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（探測光）來檢測目標(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)顯微鏡下被探測到。

值得一提的是，這種反饋方法不依賴于儀器的探測靈敏度，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)射近千萬個(gè)光子（目前可見光波段亮度最高），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，開辟了納米器件制備工藝新途徑，在各類光量子器件、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，為未來的量子科技和納米制造領(lǐng)域帶來了新的可能性。

圖2.近原子尺度制造大規(guī)模量子色心及熒光光譜、單光子純度表征

圖3.近原子尺度制備的單光子源的亮度，偏振及穩(wěn)定性表征

審核編輯：劉清