飛秒激光與材料相互作用的超快動力學觀測

Ultrafast dynamics observation during femtosecond laser-material interaction

作者：郭寶山，孫靖雅，姜瀾，北京理工大學

Citation

Guo B S, Sun J Y, Lu Y F, Jiang L. Ultrafast dynamics observation during femtosecond laser-material interaction. Int. J. Extrem. Manuf. 1, 032004 (2019).

01

文章導讀

飛秒激光從原理和應用上都引起了人們的極大關注，特別是飛秒激光加工過程呈現出獨特的激光與材料相互作用機理。在飛秒激光輻照的極端非平衡條件下，材料去除過程的基本科學問題仍未得到解答。為了解決這些基本問題，超快觀測技術已經成為最重要的手段之一。

為此，北京理工大學郭寶山教授、姜瀾教授、孫靖雅教授等人在《極端製造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表的《飛秒激光與材料相互作用的超快動力學觀測》綜述，系統介紹了用於激光與材料相互作用研究的主流超快觀測技術的研究背景、最新進展及未來展望，包括時間分辨泵浦探測陰影成像技術、超快連續光學成像技術和四維超快掃描電子顯微鏡技術。

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研究背景

超快激光可高質量製造難加工材料的三維複雜結構，有望成為未來高端製造的主要手段之一。通過超快激光與材料相互作用，改變材料的物態和性質，實現微米至納米尺度或跨尺度的控形與控性，其機制涉及物理、化學、光學、材料、電子等多學科。由於超快激光製造在能量密度、作用空間、時間尺度和被加工材料吸收能量的可控尺度等方面都可分別趨於極端，而使其製造過程所利用的物理效應、作用機理不同於傳統制造，其製造複雜結構的能力與品質遠高於傳統制造。飛秒激光電子動態調控制造新原理、新方法，首次實現了製造中對局部瞬時電子動態的主動調控及其多尺度觀測，拓展了激光製造極限能力。但是，由於學科交叉的複雜性和製造要素的極端性，其觀測、分析和認識都還存在諸多亟待揭示的問題。超快觀測技術已經成為深入理解超快激光與材料相互作用過程與調控機理必不可少的研究手段。本文從基本原理出發，對前沿超快觀測技術進行了深入的介紹，並對其在激光與材料相互作用中的代表性應用及其優缺點進行了系統描述。超快觀測系統的時間和空間分辨率，以及不同尺度下的全景測量仍然是目前的兩大挑戰，因此，可兼顧時間和空間分辨率的多尺度觀測系統將是未來的主要發展方向。

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最新進展

文中講到：基於典型的超快泵浦探測陰影成像技術，可揭示激光多脈衝加工過程局部瞬時電子密度的演化過程，其時間分辨率已經達到100 fs（圖1）。

圖1（a）電子密度演化過程及其2維透射圖像；（b）首脈衝導致次脈衝拉絲分裂現象示意圖；（c）脈衝延遲200 fs時的表面反射率。（Reprinted with permission.）

為了克服泵浦探測技術需要多次重複測量的缺點，已經發展出多種不同類型的超快連續成像技術，例如空間分光和時域頻率分光技術，如圖2所示，並可應用於激光等離子體動力學以及晶體聲子動力學過程的超快連續觀測，如圖3所示。

圖2（a）基於空間分光；（b）基於時域頻率分光的超快連續成像系統示意圖。（Reprinted with permission.）

圖3（a）等離子體動力學觀測示意圖；（b）等離子體動力學過程超快連續成像結果；（c）晶體聲子動力學觀測示意圖；（d）聲子動力學過程超快連續成像結果。（Reprinted with permission.）

文中詳細介紹了9種不同類型的超快連續成像系統及其在觀測激光與物質相互作用過程中的應用，最高時間分辨率接近100fs，單次測量連續成像幀數最高可達到60幀。

4維超快電子顯微鏡技術是目前獲得高時空分辨能力的主要觀測手段之一。其典型實驗系統如圖4所示。

該系統可用於觀測價帶電子被激發到導帶的動力學過程與機理，如圖5所示。

圖5 半導體價帶電子被激光激發到導帶的動力學過程觀測。（Reproduced with permission.）

04

未來展望

超快化學和超快物理的發展使得在激光加工中觀測和控制電子動力學過程成為可能，從而大大推動基礎製造研究的發展。在觀測超快激光與材料相互作用的局部瞬時電子動態時空演化過程中，考慮時間和空間分辨率以及不同尺度下的全景測量仍然是兩大挑戰。為了應對這些挑戰，不同的超快成像技術，如泵浦探測、超快連續成像、4維超快掃描電子顯微鏡等，正在快速發展。這些方法各有優勢，都克服了傳統圖像傳感器的限制，實現了更高的成像分辨率。在不久的將來，將不同技術的優勢相結合，有望建立一個具有高時空分辨率和動態連續觀測能力的多尺度觀測系統。這種系統可全面揭示激光製造過程中電子電離（飛秒皮秒尺度）和材料相變（皮秒納秒尺度）的結構和性能的演變，這將有力促進飛秒激光與材料相互作用過程機理的研究以及激光製造的快速發展。

激光天地轉載自：Editorial Office IJEM

郭寶山，現任北京理工大學機械與車輛學院副教授，博士畢業於中科院半導體研究所，發表專著2部，SCI及國際會議論文50餘篇。主要從事激光微納製造領域激光與材料相互作用機理、新型微納製造方法及其超快觀測技術的科研工作，包括超快連續光譜與成像技術、相干反思托克斯拉曼檢測技術、時域展寬編碼放大檢測技術研究，表面等離子體動力學調控與器件應用等方面的研究。

孫靖雅，現任北京理工大學機械與車輛學院副教授。她於2012年獲得新加坡國立大學物理學博士學位。長期以來，一直從事微納光電材料及器件中載流子超快動力學過程的四維高時空分辨原位研究，飛秒激光加工中的複雜動力學過程（如電子電離與衰減、等離子體形成與膨脹等）的時間分辨泵浦探測陰影技術觀測研究。

姜瀾, 現任北京理工大學機械與車輛學院講席教授，複雜微細結構加工技術國家級創新中心主任，“非硅微納製造”工信部重點實驗室主任；入選教育部長江學者特聘教授、國家“特支計劃（萬人計劃）”首批科技創新領軍人才；是國家傑出青年科學基金獲得者、國家重點基礎研究發展規劃（“973”計劃）項目首席科學家、“增材製造與激光製造”國家重點研發計劃總體專家組組長；當選美國機械工程學會會士、美國光學學會會士、國際納米制造學會會士；入選美國加州大學伯克利分校Russell Severance Springer Professor（榮譽傑出教授）。獲國家自然科學二等獎(第一完成人)、何梁何利科技創新獎等。發表SCI論文250餘篇，H因子45。主要從事激光微納製造領域的科研工作，首次實現了製造中對瞬時局部電子動態的主動控制及其多尺度觀測系統，大幅提高飛秒激光加工效率、精度、質量、深徑比等，為多項國家重大工程提供了關鍵製造支撐。

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