在微纳制造领域，激光加工技术凭借其高精度、非接触式加工等优势，已成为推动半导体、光子晶体、超材料等前沿领域发展的关键工具。然而，传统激光加工受限于光的波动特性，其聚焦光斑尺寸受衍射极限约束，最小加工尺寸难以突破波长量级的二分之一。这一物理瓶颈长期制约着纳米级制造的精度与效率。英国曼彻斯特大学李琳院士团队通过激光纵波场技术的突破性研究，成功实现了10纳米级孔径加工，将激光加工分辨率提升至波长的1/80，为微纳制造开辟了全新路径。

衍射极限：传统激光加工的“物理天花板”

激光作为电磁波，其电场振动方向垂直于传播方向，这一横波特性导致聚焦光斑尺寸受衍射极限限制。根据阿贝衍射公式，传统飞秒激光聚焦的最小光斑尺寸约为波长的二分之一。例如，800纳米红外激光的聚焦极限约为400纳米，即使采用高数值孔径物镜或极紫外波长激光，加工尺寸也难以突破100纳米。此外，传统加工中热扩散效应会导致材料周围形成热影响区，进一步降低加工精度。

纵波场技术：重构光与物质的相互作用

纵波激光的核心突破在于通过定制光场调制，使激光电场方向与传播方向一致，形成纵向电场分量。李琳团队的研究中，研究人员利用S波片将线偏振激光转换为径向偏振态，再通过空间光调制器对光束的振幅、波前进行精准调制，生成环形光斑。经数值孔径0.95的物镜聚焦后，环形光中大角度平面波的纵向分量被显著增强，最终形成纯度高达94.7%的纵波场。

这一技术突破的关键在于对光场的多维度调控：

1. 偏振调制：S波片将线偏振光转换为径向偏振光，为纵波场生成提供基础；

2. 振幅整形：空间光调制器移除高斯光中心能量，生成极细环形光，减少横波分量干扰；

3. 波前校正：补偿高数值孔径聚焦产生的球差，确保纵波场精准聚焦于单一平面。

粒子加速机制：超越衍射极限的加工原理

纵波场加工的核心优势在于其独特的粒子加速特性。传统激光加工依赖库伦爆炸机制，通过光子-电子耦合将能量传递至电子系统，再由电子将能量传导至晶格。这一过程存在时间延迟，导致热扩散范围较大。而纵波场的纵向电场分量可直接驱动带电粒子（电子与离子）沿传播方向以极窄角度喷发，实现“冷烧蚀”：

• 高效材料去除：粒子喷发角度小于5°，能量集中于纳米级区域，加工效率较传统方法提升3倍以上；

• 超高深宽比：在蓝宝石表面加工的10纳米孔径结构，深宽比达16:1，远超传统方法的5:1；

• 无热影响区：聚焦离子束显微镜（FIB-SEM）分析显示，加工区域周围物质为材料内部熔化溢出沉积，而非热扩散导致。

应用前景：从实验室到产业化的跨越

纵波场技术不仅适用于透明材料（如蓝宝石），在金属与半导体加工中同样表现优异。例如，在硅基光子晶体刻蚀中，纵波场可避免传统切向偏振激光导致的裂纹问题，成品率提升40%。此外，该技术成本仅为极紫外光刻的1/10，在芯片制造、超灵敏度传感器、量子器件等领域具有显著优势。

目前，研究团队已与武汉华日精密激光股份有限公司合作，推动纵波场加工设备的产业化。未来，随着空间光调制器与物镜技术的进一步优化，激光纵波加工有望实现5纳米级精度，为后摩尔时代集成电路制造提供关键技术支撑。

结语

激光纵波加工技术的突破，标志着人类对光与物质相互作用机理的认知迈入新阶段。通过重构光场分布与粒子动力学，这一技术不仅打破了衍射极限的物理桎梏，更为纳米制造、光子集成、量子科技等领域开辟了全新维度。正如李琳院士所言：“纵波场技术是激光加工的‘第二次革命’，它将重新定义‘精密’的边界。”