2018年12月9日，北京理工大學薑瀾教授團隊與(yu) 中國科學院西安光學精密機械研究所李明研究員以及美國內(nei) 布拉斯加林肯大學陸永楓教授等合作，通過泵浦探測陰影技術揭示了飛秒激光多脈衝(chong) 加工矽過程中的空氣等離子體(ti) 激發和材料等離子體(ti) 擴張等物理現象隨激光誘導表麵微納結構的演化規律及其內(nei) 在機製，相關(guan) 研究成果以“Structure-Mediated Excitation of Air Plasma and Silicon Plasma Expansion in Femtosecond Laser Pulses Ablation”為(wei) 題發表在《Research》（DOI: 10.1155/2018/5709748）上。

研究背景

飛秒激光具有超短的脈衝(chong) 持續時間和超強的峰值功率密度，可實現材料的高精度、高質量和三維加工，有望成為(wei) 未來高端製造的主要手段之一。飛秒激光微納製造能為(wei) 國防、航空航天、新能源、IC、消費電子、生物醫療等領域實現跨越式發展提供重要的製造支撐。

與(yu) 此同時，飛秒激光微納加工技術及其應用的快速發展迫切需要深入理解飛秒激光與(yu) 材料相互作用的複雜動力學過程。采用時間分辨的超快觀測技術能夠對飛秒激光加工過程（如電子電離與(yu) 衰減、等離子體(ti) 形成與(yu) 膨脹等）進行超快探測和分析，已成為(wei) 揭示飛秒激光非線性、非平衡作用機理的主要途徑之一。作為(wei) 激光與(yu) 材料相互作用的重要組成部分，飛秒激光誘導等離子體(ti) 及其產(chan) 生的衝(chong) 擊波在近年來得到了持續而深入的研究。然而，目前絕大多數的研究均聚焦於(yu) 單脈衝(chong) 加工，而對多脈衝(chong) 飛秒激光誘導等離子體(ti) 和衝(chong) 擊波的演化規律及其內(nei) 在機製仍不清楚。隨著激光輻照脈衝(chong) 數的增加，其誘導產(chan) 生的表麵結構將顯著影響後續激光與(yu) 材料的相互作用過程。

北京理工大學薑瀾教授前期提出並實現了超快激光與(yu) 材料相互作用過程的多尺度觀測係統，綜合運用泵浦探測、激光誘導擊穿光譜等技術，首次實現了對製造中以電子為(wei) 能量載體(ti) 主線的質能傳(chuan) 輸過程的觀測，包括激光傳(chuan) 播、電子電離及衰減、衝(chong) 擊波形成及材料相變以及材料去除/改性等，為(wei) 製造新技術提供了觀測證據。

研究進展

在此基礎上，薑瀾教授團隊與(yu) 中國科學院西安光學精密機械研究所李明研究員以及美國內(nei) 布拉斯加林肯大學陸永楓教授等人開展合作，通過泵浦探測陰影成像技術（多尺度觀測係統子係統），從(cong) 飛秒-皮秒-納秒時間尺度揭示了飛秒激光多脈衝(chong) 誘導等離子體(ti) 和衝(chong) 擊波的演化機製。研究人員首先聚焦於(yu) 前兩(liang) 個(ge) 激光脈衝(chong) 加工過程，在飛秒時間尺度直接觀測到第二個(ge) 脈衝(chong) 作用期間的空氣等離子體(ti) 激發（圖1），明確了凹坑誘導激光再聚焦增強空氣電離的物理機製；並通過皮秒-納秒時間尺度的等離子體(ti) 和衝(chong) 擊波圖像揭示了空氣等離子體(ti) 通道對衝(chong) 擊波擴張的縱向增強作用和擴張維度的影響規律。

圖1 前兩(liang) 個(ge) 激光脈衝(chong) 加工矽的飛秒時間尺度下的時間分辨陰影圖

隨後，課題組進一步研究了多脈衝(chong) 加工過程中的空氣等離子體(ti) 激發、材料等離子體(ti) 和衝(chong) 擊波擴張（圖2）以及表麵微納結構隨輻照脈衝(chong) 數的演化規律。研究結果揭示了影響多脈衝(chong) 激光誘導等離子體(ti) 和衝(chong) 擊波擴張的兩(liang) 種物理機製：空氣等離子體(ti) 激發和激光與(yu) 材料耦合，且這兩(liang) 種作用機理依賴於(yu) 激光誘導的表麵微納結構形貌。

圖2 飛秒激光誘導空氣等離子體(ti) 激發、材料等離子體(ti) 和衝(chong) 擊波擴張隨輻照脈衝(chong) 數的演化規律

未來展望

此項研究通過泵浦探測陰影成像技術研究了飛秒激光多脈衝(chong) 誘導的等離子體(ti) 演化規律，並揭示了相應的物理機製，這對深入理解飛秒激光與(yu) 材料的相互作用過程具有重要的科學意義(yi) 。同時，該研究團隊提出將進一步提升多尺度觀測係統的觀測能力，實現高時空分辨率、高信噪比的超快高精密多尺度觀測係統，從(cong) 電子層麵全方位揭示了飛秒激光與(yu) 材料相互作用過程的時空演變規律，為(wei) 飛秒激光電子動態調控微納製造等新方法提供觀測基礎、機理分析和優(you) 化指導。

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