多焦点并行直写中的串扰
在超快激光微纳加工领域，飞秒激光直写依赖非线性吸收机制，在透明材料内部实现高度局域化的结构改性。这一能力使其被广泛应用于三维光学结构、功能器件及相位调制元件的制造。
随着加工方案从单焦点、逐点写入转向多焦点并行制造，系统行为变得显著复杂。近期越来越多的研究表明，在高数值孔径(NA)聚焦和高结构密度下，多个焦点处光场的叠加与相互作用会对加工结果产生不可忽视的影响。在单焦点飞秒激光加工中，非线性阈值效应使得改性区域可以显著小于线性衍射极限。然而，在多焦点并行处理中，相邻焦点的空间邻近性会引入额外的场耦合效应。先前的研究表明，这种耦合可能源于焦点之间的空间相干干涉，也可能源于顺序或准顺序的曝光过程。在高数值孔径聚焦条件下，这些效应往往表现为能量分布的局部变化和非均匀的结构形貌，从而限制了可实现的最小特征间距。
最近发表在《自然·通讯》上的一项研究提出了一种工程级解决方案，解决了多焦点并行飞秒激光加工中结构密度受限的长期难题。通过结合实验与理论分析，该研究表明，一旦相邻焦点的间距进入亚波长量级，空间相干干涉和时间序列效应就会产生显著的加工串扰，导致结构形貌不均匀，并限制了可实现的最小特征间距。
为了减轻这些效应，研究团队提出了一种相干解耦并行直写(Dc-PDLW)策略。该方法利用光场工程来控制多个焦点之间的相干关系。
具体而言，研究人员采用了一种非迭代条纹分割相位(SSP)全息图来生成多焦点光场，从而避免了迭代算法在高数值孔径聚焦条件下容易引入的波前畸变。随后引入二进制掩模(BM)将焦点在空间上划分为不同的区域，每个区域被分配正交的偏振态，从而抑制了相邻焦点之间的干涉。
蓝宝石晶体中的实验结果表明，使用该方法可实现约300 nm(λ/4)的双孔间距。在相同的激光参数(224 fs，450 nJ)对比下，迭代算法和传统逐点写入法实现平均双孔间距分别为约545 nm和601 nm，而SSP-BM方法实现的平均间距约为321 nm，观测到的最小间距为292 nm。
图1 | 去相干并行直接激光写入(Dc-PDLW)方法示意图及加工结果。SSP-BM去相干全息设计可产生多焦点光场，实现亚300纳米双孔结构的并行制造，并与传统算法进行了对比。(图片来源：Jiang等，Nature Communications，2026)
如何确认这些结构确实按预期改变了光场?加工完成后，研究团队进一步测量了纳米结构引起的相位差。为此引入了PhasicsSID4波前传感器利用其高分辨率定量相位成像能力，研究人员在单次采集中测量了不同间距纳米结构引起的相位调制。
图2 | 不同双孔间距条件下的光学相位差和折射率调制测量结果，展示了结构密度对双折射响应的影响。(图片来源：Jiang等，Nature Communications，2026)
随着双孔间距的减小，测量结果显示结构诱导的折射率调制和双折射延迟呈逐渐增加的趋势。通过使用SID4直接测量波前相位，该研究不仅验证了所制备结构的几何变化，还观察到了其相应的光学响应，为结构设计与实际光学行为之间的联系提供了实验证据。
在多焦平行处理系统中，波前测量价值不在于取代光场设计，而在于为整个实验过程提供可量化的参考。这包括评估多焦光场的相干性、识别加工算法引入的局部相位变化，以及在参数优化过程中提供可验证的反馈，所有这些都使复杂的光场实验更具可控性。由于SID4能在单次曝光中捕获完整的波前信息，它使研究人员能够直接将加工结构与其光学相位响应建立关联，这对于复杂光场工程的研究具有实际意义。
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