盡管數十年來對激光及其應用進行了大量研究，但科學家們(men) 仍難以準確，直接地觀察其與(yu) 材料相互作用的細節。來自東(dong) 京大學的研究人員首次發現了一種使用低成本設備從(cong) 生產(chan) 激光器中獲取此類數據的方法。該技術可以極大地提高用激光切割或蝕刻的物品的準確性。鑒於(yu) 目前激光器的普遍應用，這可能對工業(ye) 應用產(chan) 生廣泛的影響。

超快激光燒蝕允許對材料進行前所未有的自由操作，部分原因是可以選擇大量參數來調整所涉及的物理過程。盡管以前僅(jin) 限於(yu) 實驗室環境，但是固態激光技術的發展已實現了穩健的操作和較低的引入成本，這兩(liang) 者都有助於(yu) 其向更廣泛的工業(ye) 環境中傳(chuan) 播。因此，超快激光燒蝕作為(wei) 一種實際解決(jue) 方案已受到越來越多的關(guan) 注，因為(wei) 它是支持現代製造業(ye) 多樣化需求所需的更快、更清潔和定製的製造方法。

盡管超快激光燒蝕的潛力無疑很高，但仍然有很多可供選擇的參數來控製其工藝，例如波長、偏振和脈衝(chong) 持續時間，也使優(you) 化它的工作複雜化。各種因素相互疊加，使反複試驗方法難以設計和理解。此外，激光引起的擊穿問題在物理學上本身是一個(ge) 難題，並且仍在積極研究中，仍有新的現象被報道。這種情況在以下方麵也很明顯：描述看似基本的依存關(guan) 係（例如理解燒蝕孔深度與(yu) 入射激光注量的關(guan) 係）仍然是一項艱巨的任務。

（左下）激光在材料上打孔。（左上方）測量激光的通量。（右下）疊加了通量和孔深的測量值。（右上）然後確定這些測量值之間的關(guan) 係，以便可以僅(jin) 基於(yu) 注量來計算孔深度。

了解燒蝕形貌與(yu) 入射脈衝(chong) 的關(guan) 係對於(yu) 微加工至關(guan) 重要，也是模擬的重要基準。然而，目前的形態分析依賴於(yu) 對實驗條件的大量簡化，例如用單個(ge) 注量值來減少獨特的光束輪廓，或者用最大凹坑深度或直徑來描述燒蝕形態。形態數據不僅(jin) 在分類激光燒蝕結果方麵具有定性重要性，而且在定量數據方麵也很重要，在定量數據中可以輕鬆地將結果與(yu) 數值模型的結果進行比較。但是，仍然存在大量可用的參數，這使得對形態學進行全麵，標準化的研究變得很困難，其中可能的輻照方案的組合使大多數分析變得複雜。

可以說，能提高激光精度的一種重要方法是獲得有關(guan) 激光與(yu) 材料相互作用的方式的反饋的更好方法。這將在生產(chan) 激光器的切割和蝕刻動作中賦予更大的控製力和更少的不確定性。事實證明，到目前為(wei) 止，這個(ge) 問題難以解決(jue) 。因此，來自東(dong) 京大學的研究人員開發了一種形態學分析方法，這種新方法可以確定和預測激光脈衝(chong) 產(chan) 生的孔的深度，該方法基於(yu) 單個(ge) 觀察結果而不是數十個(ge) 或數百個(ge) 觀察結果。這一發現是提高激光加工可控性的重要一步。

圖1：實驗概述和設置。

▲圖解：能量密度映射過程的概述，其中精確的光束輪廓和精確的隕石坑輪廓在空間上相關(guan) ，此後，將局部高度重新繪製為(wei) 局部能量密度的函數。b. 實驗設置。光源要麽(me) 是再生放大器的基本光，要麽(me) 是它所泵浦的OPA。調整光的強度，然後在XYZ平台上使用集成CMOS攝像頭將其聚焦到樣品架上。通過橫向移動支架，可以實現對焦點處的原位光束輪廓的測量或對樣品的處理。

如實驗裝置圖所示，研究人員使用藍寶石作為(wei) 基準材料，將藍寶石板安裝在與(yu) CMOS相機相鄰的支架上。在每次消融之前，通過CMOS相機在空間上原位測量處理光束的光束輪廓。為(wei) 了直接成像這樣的小輪廓，需要一個(ge) 典型的像素間距，該間距遠小於(yu) 光斑尺寸（通常為(wei) 幾十微米）。為(wei) 此，研究人員使用了緊湊的板載型CMOS相機。當測試激光設備在藍寶石上打孔時，照相機直接記錄了激光脈衝(chong) 的注量分布。然後，激光顯微鏡測量孔的形狀。通過將這兩(liang) 個(ge) 結果疊加起來並使用現代數值方法，該團隊得出了一個(ge) 龐大而可靠的數據集，該數據集可以準確地得出通量與(yu) 孔深之間的關(guan) 係。

這是一種提取經過充分研究的值和相關(guan) 性（例如燒蝕閾值）的可靠方法，並且是探查過程空間獨立性的一種方法。

圖2：燒蝕的隕石坑和藍寶石光束輪廓的相關(guan) 過程。

▲圖解：a. 數據對應於(yu) 在30μJ時用單個(ge) 1028 nm、190 fs脈衝(chong) 進行的燒蝕。燒蝕後的火山口的光學顯微鏡圖像。比例尺對應於(yu) 10μm。b. 從(cong) 激光掃描顯微鏡測量獲得的燒蝕後的隕石坑的相應高度輪廓。c. 在焦點處原位測量的消融脈衝(chong) 的光束輪廓。d. 空間疊加的樣條曲線插值後的光束輪廓和高度，光束強度顯示為(wei) 等高線。光束強度的單位也被轉換為(wei) 能量密度。

圖3：藍寶石的注量圖。

▲圖解：數據來自圖2的藍寶石隕石坑輪廓（1028 nm，190 fs單脈衝(chong) 燒蝕(30μJ)）和圖2的光束輪廓。每個(ge) 紅點分別對應於(yu) 隕石坑顯微鏡數據的高度數據點。裝箱平均值以黑色顯示。可以從(cong) 該單一曲線圖來解釋特征形態特征，例如消融脈衝(chong) 的峰通量（深紅色，實心），閾值通量（橙色，虛線）和火山口深度（藍色，實心）。

圖4：從(cong) 注量圖揭示的特性。

▲圖解：a. 在5種不同的脈衝(chong) 能量下，通過1028nm，190fs的激光脈衝(chong) 在藍寶石表麵燒蝕了隕石坑。比例尺對應於(yu) 10μm。b. 火山口的對應注量圖a。火山口形態發生突變時，可以辨認出兩(liang) 個(ge) 閾值，用實心三角形和空心三角形表示。c, d在由空心三角形表示的第二閾值上方（d）和下方（c）的兩(liang) 個(ge) 凹坑的代表性空間線輪廓。標出局部能量密度高於(yu) b中突出顯示的兩(liang) 個(ge) 相應閾值的大致空間位置。

總之，研究人員展示了一種用於(yu) 激光燒蝕研究中的形態數據分析的方法。這樣的分析可以極大地提高消融定量測量關(guan) 於(yu) 射束輪廓偏差的魯棒性，並且可以大大提高數據利用率。該方法的主要優(you) 點包括檢查與(yu) 脈衝(chong) 能量變化有關(guan) 的燒蝕過程的局部注量依賴性的能力，以及通過分析形態的精細趨勢來區分各種閾值的能力。這項研究為(wei) 未來的發展打開了前景。實際上，當前的方法對於(yu) 定量比較不同激光係統之間的實驗結果是重要的，其中光束輪廓的空間偏差可能起著不可忽略的作用。即使在相同的激光係統的情況下，由於(yu) 參數的變化，例如OPA的波長，也可能出現很大的偏差。