盡管數(shù)十年來對(duì)激光及其應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，但科學(xué)家們?nèi)噪y以準(zhǔn)確，直接地觀察其與材料相互作用的細(xì)節(jié)。來自東京大學(xué)的研究人員首次發(fā)現(xiàn)了一種使用低成本設(shè)備從生產(chǎn)激光器中獲取此類數(shù)據(jù)的方法。該技術(shù)可以極大地提高用激光切割或蝕刻的物品的準(zhǔn)確性。鑒于目前激光器的普遍應(yīng)用，這可能對(duì)工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生廣泛的影響。

超快激光燒蝕允許對(duì)材料進(jìn)行前所未有的自由操作，部分原因是可以選擇大量參數(shù)來調(diào)整所涉及的物理過程。盡管以前僅限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，但是固態(tài)激光技術(shù)的發(fā)展已實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)健的操作和較低的引入成本，這兩者都有助于其向更廣泛的工業(yè)環(huán)境中傳播。因此，超快激光燒蝕作為一種實(shí)際解決方案已受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗侵С脂F(xiàn)代制造業(yè)多樣化需求所需的更快、更清潔和定制的制造方法。

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(shù)來控制其工藝，例如波長(zhǎng)、偏振和脈沖持續(xù)時(shí)間，也使優(yōu)化它的工作復(fù)雜化。各種因素相互疊加，使反復(fù)試驗(yàn)方法難以設(shè)計(jì)和理解。此外，激光引起的擊穿問題在物理學(xué)上本身是一個(gè)難題，并且仍在積極研究中，仍有新的現(xiàn)象被報(bào)道。這種情況在以下方面也很明顯：描述看似基本的依存關(guān)系（例如理解燒蝕孔深度與入射激光注量的關(guān)系）仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

（左下）激光在材料上打孔。（左上方）測(cè)量激光的通量。（右下）疊加了通量和孔深的測(cè)量值。（右上）然后確定這些測(cè)量值之間的關(guān)系，以便可以僅基于注量來計(jì)算孔深度。

了解燒蝕形貌與入射脈沖的關(guān)系對(duì)于微加工至關(guān)重要，也是模擬的重要基準(zhǔn)。然而，目前的形態(tài)分析依賴于對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的大量簡(jiǎn)化，例如用單個(gè)注量值來減少獨(dú)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(tài)。形態(tài)數(shù)據(jù)不僅在分類激光燒蝕結(jié)果方面具有定性重要性，而且在定量數(shù)據(jù)方面也很重要，在定量數(shù)據(jù)中可以輕松地將結(jié)果與數(shù)值模型的結(jié)果進(jìn)行比較。但是，仍然存在大量可用的參數(shù)，這使得對(duì)形態(tài)學(xué)進(jìn)行全面，標(biāo)準(zhǔn)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(shù)分析變得復(fù)雜。

可以說，能提高激光精度的一種重要方法是獲得有關(guān)激光與材料相互作用的方式的反饋的更好方法。這將在生產(chǎn)激光器的切割和蝕刻動(dòng)作中賦予更大的控制力和更少的不確定性。事實(shí)證明，到目前為止，這個(gè)問題難以解決。因此，來自東京大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種形態(tài)學(xué)分析方法，這種新方法可以確定和預(yù)測(cè)激光脈沖產(chǎn)生的孔的深度，該方法基于單個(gè)觀察結(jié)果而不是數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)觀察結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)是提高激光加工可控性的重要一步。

圖1：實(shí)驗(yàn)概述和設(shè)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(guān)，此后，將局部高度重新繪制為局部能量密度的函數(shù)。b. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置。光源要么是再生放大器的基本光，要么是它所泵浦的OPA。調(diào)整光的強(qiáng)度，然后在XYZ平臺(tái)上使用集成CMOS攝像頭將其聚焦到樣品架上。通過橫向移動(dòng)支架，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦點(diǎn)處的原位光束輪廓的測(cè)量或?qū)悠返奶幚怼?/p>

如實(shí)驗(yàn)裝置圖所示，研究人員使用藍(lán)寶石作為基準(zhǔn)材料，將藍(lán)寶石板安裝在與CMOS相機(jī)相鄰的支架上。在每次消融之前，通過CMOS相機(jī)在空間上原位測(cè)量處理光束的光束輪廓。為了直接成像這樣的小輪廓，需要一個(gè)典型的像素間距，該間距遠(yuǎn)小于光斑尺寸（通常為幾十微米）。為此，研究人員使用了緊湊的板載型CMOS相機(jī)。當(dāng)測(cè)試激光設(shè)備在藍(lán)寶石上打孔時(shí)，照相機(jī)直接記錄了激光脈沖的注量分布。然后，激光顯微鏡測(cè)量孔的形狀。通過將這兩個(gè)結(jié)果疊加起來并使用現(xiàn)代數(shù)值方法，該團(tuán)隊(duì)得出了一個(gè)龐大而可靠的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集可以準(zhǔn)確地得出通量與孔深之間的關(guān)系。

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

圖2：燒蝕的隕石坑和藍(lán)寶石光束輪廓的相關(guān)過程。

▲圖解：a. 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于在30μJ時(shí)用單個(gè)1028 nm、190 fs脈沖進(jìn)行的燒蝕。燒蝕后的火山口的光學(xué)顯微鏡圖像。比例尺對(duì)應(yīng)于10μm。b. 從激光掃描顯微鏡測(cè)量獲得的燒蝕后的隕石坑的相應(yīng)高度輪廓。c. 在焦點(diǎn)處原位測(cè)量的消融脈沖的光束輪廓。d. 空間疊加的樣條曲線插值后的光束輪廓和高度，光束強(qiáng)度顯示為等高線。光束強(qiáng)度的單位也被轉(zhuǎn)換為能量密度。

圖3：藍(lán)寶石的注量圖。

▲圖解：數(shù)據(jù)來自圖2的藍(lán)寶石隕石坑輪廓（1028 nm，190 fs單脈沖燒蝕(30μJ)）和圖2的光束輪廓。每個(gè)紅點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于隕石坑顯微鏡數(shù)據(jù)的高度數(shù)據(jù)點(diǎn)。裝箱平均值以黑色顯示?？梢詮脑搯我磺€圖來解釋特征形態(tài)特征，例如消融脈沖的峰通量（深紅色，實(shí)心），閾值通量（橙色，虛線）和火山口深度（藍(lán)色，實(shí)心）。

圖4：從注量圖揭示的特性。

▲圖解：a. 在5種不同的脈沖能量下，通過1028nm，190fs的激光脈沖在藍(lán)寶石表面燒蝕了隕石坑。比例尺對(duì)應(yīng)于10μm。b. 火山口的對(duì)應(yīng)注量圖a?；鹕娇谛螒B(tài)發(fā)生突變時(shí)，可以辨認(rèn)出兩個(gè)閾值，用實(shí)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）的兩個(gè)凹坑的代表性空間線輪廓。標(biāo)出局部能量密度高于b中突出顯示的兩個(gè)相應(yīng)閾值的大致空間位置。

總之，研究人員展示了一種用于激光燒蝕研究中的形態(tài)數(shù)據(jù)分析的方法。這樣的分析可以極大地提高消融定量測(cè)量關(guān)于射束輪廓偏差的魯棒性，并且可以大大提高數(shù)據(jù)利用率。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括檢查與脈沖能量變化有關(guān)的燒蝕過程的局部注量依賴性的能力，以及通過分析形態(tài)的精細(xì)趨勢(shì)來區(qū)分各種閾值的能力。這項(xiàng)研究為未來的發(fā)展打開了前景。實(shí)際上，當(dāng)前的方法對(duì)于定量比較不同激光系統(tǒng)之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)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。即使在相同的激光系統(tǒng)的情況下，由于參數(shù)的變化，例如OPA的波長(zhǎng)，也可能出現(xiàn)很大的偏差。