激光器已被广泛应用于工业，例如在高性价比的制造系统中用作可靠的能源，进行标记、钻孔、淬火和表面处理。目前的工业发展要求将设备的形体尺寸降低达到亚微米甚至纳米级。作为一种无掩膜和非接触工艺，激光纳米加工具有设置灵活以及能够在空气、真空或液体环境中操作的独特优点，因此成为更广泛应用的一种最具吸引力的加工或制造工具。

目前已经开发一些新技术来加工功能性纳米结构。工业应用的关键问题是在大规模生产中如何在短时间内产生大面积的纳米结构。本文介绍了潜在大规模生产的一些多功能激光纳米加工方法，另外还简要讨论了满足亚20 nm分辨率的激光纳米加工进一步发展的前景。

微球体阵列辅助激光纳米加工

激光纳米加工的关键挑战是如何将空气中的紫外线或可见激光光束聚焦到亚100nm，从而克服光学衍射限制。我们的研究显示，自排列或大面积旋转涂抹形成的透明微球体阵列能够将入射激光光束分离为成千上百万的微小光束，还能用作透镜，聚焦这些微小光束以开展表面纳米制图。如图1（a）所示，局部光线密度大幅增强，并以平行模式加工样品。这种技术采用通常的二维（2D）微球体阵列将入射激光光束聚焦到基板，因此，只需几次激光辐射脉冲，即能够采用单步表面制图方法在基板上产生成千上百万的亚微米孔洞。激光纳米加工之后，采用传统超声波清洁可以清除微球体。灵活控制激光光束扫描外形，可以形成复杂的纳米结构设计，例如图1（b）所示的星形阵列。

激光干涉光刻

激光干涉光刻（Laser Interference Lithography, LIL）是在短时间内形成大面积周期纳米结构（例如纳米点或纳米线阵列）的一种功能强大的工具。只需暴露紫外线几分钟，然后采用光致抗蚀刻和化学蚀刻或者剥离工艺，即能够在金属薄膜上形成等离子体纳米结构。激光光束的相干长度是大面积（厘米级）两次光束干涉的一个关键因素。一次激光辐照形成纳米线性阵列，将样品旋转90°之后，另一次激光辐照用于形成纳米点阵列。通过控制辐照时间和辐照方案，能够形成各种纳米结构，形状范围从矩形到三角形和椭圆形。通过化学腐蚀也可以将光致抗蚀刻层形成的2D纳米结构传输到基板，以形成2.5D纳米结构。图2（a）显示了嵌入硅基板内部的金属纳米点阵列，图2（b）显示了LIL形成的纳米柱阵列。

飞秒激光双光子聚合纳米光刻

上述激光纳米加工技术用于在样品表面形成2D大面积纳米结构。飞秒激光双光子聚合（Two-photon-polymerization,2PP）纳米光刻是形成任意大面积3D纳米结构的一种前景光明的方法。当飞秒激光光束聚焦于光敏材料上时，则通过双光子非线性吸收来激活聚合过程。采用电脑控制飞秒激光光束扫描外形，以形成任意设计的3D结构。激光扫描之后，冲洗掉未照射的光敏材料。由于工艺的光辐照阈值效应和非线性光吸收性质，灵活控制激光脉冲能源和脉冲重复率以形成图3所示的功能性3D纳米结构，可以形成光学衍射限制（最低60 nm）之外的超分辨率。

激光微透镜阵列光刻

由于受到样品表面形成的微球体阵列尺寸的限制，微球体阵列技术辅助激光纳米加工形成的纳米结构一般极小， 面积低于1 平方厘米。同时，在自排列或旋转涂布形成微球体阵列期间产生缺陷。激光微透镜阵列（MLA） 光刻处理更容易， 更适用于大规模生产工业应用的纳米结构。MLA将入射激光光束分离为图4（a）所示的成千上百万微小激光光束，功能与分离和聚焦激光光束的微球体阵列相似。光致抗蚀刻涂抹的样品安装在一根7轴的纳米台上，并定位到MLA的聚焦平面。通过控制级的移动和打开/ 关闭激光脉冲， 能够通过激光辐照在光致抗蚀刻层上形成任意图案。图4（b）显示在石英基板上形成的通用IC设计阵列。激光MLA光刻具有以平行模式高速形成大面积任意纳米结构的独特优点。该方法也可以用于在各种基板表面形成功能性纳米结构，例如挠性聚合物薄膜上的裂环谐振器（SRR）阵列，它能被卷起，作为3D超材料管道应用于超敏感应。

激光纳米加工的发展前景

远紫外线（EUV）纳米光刻和激光冷却是满足亚20 nm纳米加工业要求的两种高度潜在的方式。虽然几乎所有材料对EUV光的吸收性极强，但是，EUV光学设备和光掩膜十分昂贵且容易损坏。成功开发直写的多光束无掩膜EUV纳米光刻技术，是克服这种技术挑战的一种可行解决方案。另外，激光冷却可以在原子通过时控制原子在基板表面的沉积，并通过激光光束干涉配置的驻波“聚焦”，以达到低至亚10 nm的形体尺寸。