2018年12月9日，北京理工大學(xué)姜瀾教授團(tuán)隊與中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所李明研究員以及美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)陸永楓教授等合作，通過泵浦探測陰影技術(shù)揭示了飛秒激光多脈沖加工硅過程中的空氣等離子體激發(fā)和材料等離子體擴(kuò)張等物理現(xiàn)象隨激光誘導(dǎo)表面微納結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制，相關(guān)研究成果以“Structure-Mediated Excitation of Air Plasma and Silicon Plasma Expansion in Femtosecond Laser Pulses Ablation”為題發(fā)表在《Research》（DOI: 10.1155/2018/5709748）上。

研究背景

飛秒激光具有超短的脈沖持續(xù)時間和超強(qiáng)的峰值功率密度，可實(shí)現(xiàn)材料的高精度、高質(zhì)量和三維加工，有望成為未來高端制造的主要手段之一。飛秒激光微納制造能為國防、航空航天、新能源、IC、消費(fèi)電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展提供重要的制造支撐。

與此同時，飛秒激光微納加工技術(shù)及其應(yīng)用的快速發(fā)展迫切需要深入理解飛秒激光與材料相互作用的復(fù)雜動力學(xué)過程。采用時間分辨的超快觀測技術(shù)能夠?qū)︼w秒激光加工過程（如電子電離與衰減、等離子體形成與膨脹等）進(jìn)行超快探測和分析，已成為揭示飛秒激光非線性、非平衡作用機(jī)理的主要途徑之一。作為激光與材料相互作用的重要組成部分，飛秒激光誘導(dǎo)等離子體及其產(chǎn)生的沖擊波在近年來得到了持續(xù)而深入的研究。然而，目前絕大多數(shù)的研究均聚焦于單脈沖加工，而對多脈沖飛秒激光誘導(dǎo)等離子體和沖擊波的演化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制仍不清楚。隨著激光輻照脈沖數(shù)的增加，其誘導(dǎo)產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)將顯著影響后續(xù)激光與材料的相互作用過程。

北京理工大學(xué)姜瀾教授前期提出并實(shí)現(xiàn)了超快激光與材料相互作用過程的多尺度觀測系統(tǒng)，綜合運(yùn)用泵浦探測、激光誘導(dǎo)擊穿光譜等技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對制造中以電子為能量載體主線的質(zhì)能傳輸過程的觀測，包括激光傳播、電子電離及衰減、沖擊波形成及材料相變以及材料去除/改性等，為制造新技術(shù)提供了觀測證據(jù)。

研究進(jìn)展

在此基礎(chǔ)上，姜瀾教授團(tuán)隊與中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所李明研究員以及美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)陸永楓教授等人開展合作，通過泵浦探測陰影成像技術(shù)（多尺度觀測系統(tǒng)子系統(tǒng)），從飛秒-皮秒-納秒時間尺度揭示了飛秒激光多脈沖誘導(dǎo)等離子體和沖擊波的演化機(jī)制。研究人員首先聚焦于前兩個激光脈沖加工過程，在飛秒時間尺度直接觀測到第二個脈沖作用期間的空氣等離子體激發(fā)（圖1），明確了凹坑誘導(dǎo)激光再聚焦增強(qiáng)空氣電離的物理機(jī)制；并通過皮秒-納秒時間尺度的等離子體和沖擊波圖像揭示了空氣等離子體通道對沖擊波擴(kuò)張的縱向增強(qiáng)作用和擴(kuò)張維度的影響規(guī)律。

圖1 前兩個激光脈沖加工硅的飛秒時間尺度下的時間分辨陰影圖

隨后，課題組進(jìn)一步研究了多脈沖加工過程中的空氣等離子體激發(fā)、材料等離子體和沖擊波擴(kuò)張（圖2）以及表面微納結(jié)構(gòu)隨輻照脈沖數(shù)的演化規(guī)律。研究結(jié)果揭示了影響多脈沖激光誘導(dǎo)等離子體和沖擊波擴(kuò)張的兩種物理機(jī)制：空氣等離子體激發(fā)和激光與材料耦合，且這兩種作用機(jī)理依賴于激光誘導(dǎo)的表面微納結(jié)構(gòu)形貌。

圖2 飛秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體激發(fā)、材料等離子體和沖擊波擴(kuò)張隨輻照脈沖數(shù)的演化規(guī)律

未來展望

此項研究通過泵浦探測陰影成像技術(shù)研究了飛秒激光多脈沖誘導(dǎo)的等離子體演化規(guī)律，并揭示了相應(yīng)的物理機(jī)制，這對深入理解飛秒激光與材料的相互作用過程具有重要的科學(xué)意義。同時，該研究團(tuán)隊提出將進(jìn)一步提升多尺度觀測系統(tǒng)的觀測能力，實(shí)現(xiàn)高時空分辨率、高信噪比的超快高精密多尺度觀測系統(tǒng)，從電子層面全方位揭示了飛秒激光與材料相互作用過程的時空演變規(guī)律，為飛秒激光電子動態(tài)調(diào)控微納制造等新方法提供觀測基礎(chǔ)、機(jī)理分析和優(yōu)化指導(dǎo)。

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