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2018年12月9日，北京理工大學(xué)姜瀾教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)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(guó)內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)陸永楓教授等合作，通過(guò)泵浦探測(cè)陰影技術(shù)揭示了飛秒激光多脈沖加工硅過(guò)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(shí)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(lái)高端制造的主要手段之一。飛秒激光微納制造能為國(guó)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(shí)，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(dòng)力學(xué)過(guò)程。采用時(shí)間分辨的超快觀測(cè)技術(shù)能夠?qū)︼w秒激光加工過(guò)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(cè)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(lái)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(duì)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(guò)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(guò)程的多尺度觀測(cè)系統(tǒng)，綜合運(yùn)用泵浦探測(cè)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜等技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)制造中以電子為能量載體主線的質(zhì)能傳輸過(guò)程的觀測(cè)，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(cè)證據(jù)。

研究進(jìn)展

在此基礎(chǔ)上，姜瀾教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)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(guó)內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)陸永楓教授等人開(kāi)展合作，通過(guò)泵浦探測(cè)陰影成像技術(shù)（多尺度觀測(cè)系統(tǒng)子系統(tǒng)），從飛秒-皮秒-納秒時(shí)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(gè)激光脈沖加工過(guò)程，在飛秒時(shí)間尺度直接觀測(cè)到第二個(gè)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(guò)皮秒-納秒時(shí)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(duì)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(gè)激光脈沖加工硅的飛秒時(shí)間尺度下的時(shí)間分辨陰影圖

隨后，課題組進(jìn)一步研究了多脈沖加工過(guò)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(lái)展望

此項(xiàng)研究通過(guò)泵浦探測(cè)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(duì)深入理解飛秒激光與材料的相互作用過(guò)程具有重要的科學(xué)意義。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)提出將進(jìn)一步提升多尺度觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率、高信噪比的超快高精密多尺度觀測(cè)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(guò)程的時(shí)空演變規(guī)律，為飛秒激光電子動(dòng)態(tài)調(diào)控微納制造等新方法提供觀測(cè)基礎(chǔ)、機(jī)理分析和優(yōu)化指導(dǎo)。

《Research》作為《Science》自1880年創(chuàng)建以來(lái)第一本合作期刊，通過(guò)《Science》的高影響力國(guó)際化傳播平臺(tái)和豐富的國(guó)際化高端學(xué)術(shù)資源，正在快速提高期刊的國(guó)際知名度和影響力，刊登內(nèi)容主要集中在：人工智能與信息科學(xué)/生物學(xué)與生命科學(xué)/能源研究/環(huán)境科學(xué)/新興材料研究/機(jī)械/科學(xué)與工程/微納米科學(xué)/機(jī)器人與先進(jìn)制造領(lǐng)域。