作者：郭寶山，孫靖雅，薑瀾，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).

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文章導讀

飛秒激光從(cong) 原理和應用上都引起了人們(men) 的極大關(guan) 注，特別是飛秒激光加工過程呈現出獨特的激光與(yu) 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(wei) 了解決(jue) 這些基本問題，超快觀測技術已經成為(wei) 最重要的手段之一。

為(wei) 此，北京理工大學郭寶山教授、薑瀾教授、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(yu) 材料相互作用的超快動力學觀測》綜述，係統介紹了用於(yu) 激光與(yu) 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(wei) 未來高端製造的主要手段之一。通過超快激光與(yu) 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(yu) 控性，其機製涉及物理、化學、光學、材料、電子等多學科。由於(yu) 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麵都可分別趨於(yu) 極端，而使其製造過程所利用的物理效應、作用機理不同於(yu) 傳(chuan) 統製造，其製造複雜結構的能力與(yu) 品質遠高於(yu) 傳(chuan) 統製造。飛秒激光電子動態調控製造新原理、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(yu) 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(wei) 深入理解超快激光與(yu) 材料相互作用過程與(yu) 調控機理必不可少的研究手段。本文從(cong) 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(yu) 材料相互作用中的代表性應用及其優(you) 缺點進行了係統描述。超快觀測係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(liang) 大挑戰，因此，可兼顧時間和空間分辨率的多尺度觀測係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(yu) 典型的超快泵浦探測陰影成像技術，可揭示激光多脈衝(chong) 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(chong) 導致次脈衝(chong) 拉絲(si) 分裂現象示意圖；（c）脈衝(chong) 延遲200 fs時的表麵反射率。（Reprinted with permission.）

為(wei) 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(yu) 激光等離子體(ti) 動力學以及晶體(ti) 聲子動力學過程的超快連續觀測，如圖3所示。

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

圖3（a）等離子體(ti) 動力學觀測示意圖；（b）等離子體(ti) 動力學過程超快連續成像結果；（c）晶體(ti) 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係統及其在觀測激光與(yu) 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。其典型實驗係統如圖4所示。

圖4 典型的4維超快電子顯微鏡係統示意圖。（Reproduced with permission.）

該係統可用於(yu) 觀測價(jia) 帶電子被激發到導帶的動力學過程與(yu) 機理，如圖5所示。

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

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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製電子動力學過程成為(wei) 可能，從(cong) 而大大推動基礎製造研究的發展。在觀測超快激光與(yu) 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(liang) 大挑戰。為(wei) 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(you) 勢，都克服了傳(chuan) 統圖像傳(chuan) 感器的限製，實現了更高的成像分辨率。在不久的將來，將不同技術的優(you) 勢相結合，有望建立一個(ge) 具有高時空分辨率和動態連續觀測能力的多尺度觀測係統。這種係統可全麵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(yu) 材料相互作用過程機理的研究以及激光製造的快速發展。

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作者簡介

郭寶山，現任北京理工大學機械與(yu) 車輛學院副教授，博士畢業(ye) 於(yu) 中科院半導體(ti) 研究所，發表專(zhuan) 著2部，SCI及國際會(hui) 議論文50餘(yu) 篇。主要從(cong) 事激光微納製造領域激光與(yu) 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(yu) 成像技術、相幹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，表麵等離子體(ti) 動力學調控與(yu) 器件應用等方麵的研究。

孫靖雅，現任北京理工大學機械與(yu) 車輛學院副教授。她於(yu) 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(cong) 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(yu) 衰減、等離子體(ti) 形成與(yu) 膨脹等）的時間分辨泵浦探測陰影技術觀測研究。

薑瀾, 現任北京理工大學機械與(yu) 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，“非矽微納製造”工信部重點實驗室主任；入選教育部長江學者、（萬(wan) 人計劃）首批科技創新領軍(jun) 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）項目首席科學家、“增材製造與(yu) 激光製造”國家重點研發計劃總體(ti) 專(zhuan) 家組組長；當選美國機械工程學會(hui) 會(hui) 士、美國光學學會(hui) 會(hui) 士、國際納米製造學會(hui) 會(hui) 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(yu) 篇，H因子45。主要從(cong) 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製及其多尺度觀測係統，大幅提高飛秒激光加工效率、精度、質量、深徑比等，為(wei) 多項國家重大工程提供了關(guan) 鍵製造支撐。