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作者：郭寶山，孫靖雅，姜瀾，北京理工大學(xué)

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).

01

文章導(dǎo)讀

飛秒激光從原理和應(yīng)用上都引起了人們的極大關(guān)注，特別是飛秒激光加工過程呈現(xiàn)出獨(dú)特的激光與材料相互作用機(jī)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(xué)問題仍未得到解答。為了解決這些基本問題，超快觀測技術(shù)已經(jīng)成為最重要的手段之一。

為此，北京理工大學(xué)郭寶山教授、姜瀾教授、孫靖雅教授等人在《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表的《飛秒激光與材料相互作用的超快動(dòng)力學(xué)觀測》綜述，系統(tǒng)介紹了用于激光與材料相互作用研究的主流超快觀測技術(shù)的研究背景、最新進(jìn)展及未來展望，包括時(shí)間分辨泵浦探測陰影成像技術(shù)、超快連續(xù)光學(xué)成像技術(shù)和四維超快掃描電子顯微鏡技術(shù)。

02

研究背景

超快激光可高質(zhì)量制造難加工材料的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有望成為未來高端制造的主要手段之一。通過超快激光與材料相互作用，改變材料的物態(tài)和性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)微米至納米尺度或跨尺度的控形與控性，其機(jī)制涉及物理、化學(xué)、光學(xué)、材料、電子等多學(xué)科。由于超快激光制造在能量密度、作用空間、時(shí)間尺度和被加工材料吸收能量的可控尺度等方面都可分別趨于極端，而使其制造過程所利用的物理效應(yīng)、作用機(jī)理不同于傳統(tǒng)制造，其制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力與品質(zhì)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造。飛秒激光電子動(dòng)態(tài)調(diào)控制造新原理、新方法，首次實(shí)現(xiàn)了制造中對局部瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)的主動(dòng)調(diào)控及其多尺度觀測，拓展了激光制造極限能力。但是，由于學(xué)科交叉的復(fù)雜性和制造要素的極端性，其觀測、分析和認(rèn)識都還存在諸多亟待揭示的問題。超快觀測技術(shù)已經(jīng)成為深入理解超快激光與材料相互作用過程與調(diào)控機(jī)理必不可少的研究手段。本文從基本原理出發(fā)，對前沿超快觀測技術(shù)進(jìn)行了深入的介紹，并對其在激光與材料相互作用中的代表性應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)描述。超快觀測系統(tǒng)的時(shí)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大挑戰(zhàn)，因此，可兼顧時(shí)間和空間分辨率的多尺度觀測系統(tǒng)將是未來的主要發(fā)展方向。

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最新進(jìn)展

文中講到：基于典型的超快泵浦探測陰影成像技術(shù)，可揭示激光多脈沖加工過程局部瞬時(shí)電子密度的演化過程，其時(shí)間分辨率已經(jīng)達(dá)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）首脈沖導(dǎo)致次脈沖拉絲分裂現(xiàn)象示意圖；（c）脈沖延遲200 fs時(shí)的表面反射率。（Reprinted with permission.）

為了克服泵浦探測技術(shù)需要多次重復(fù)測量的缺點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展出多種不同類型的超快連續(xù)成像技術(shù)，例如空間分光和時(shí)域頻率分光技術(shù)，如圖2所示，并可應(yīng)用于激光等離子體動(dòng)力學(xué)以及晶體聲子動(dòng)力學(xué)過程的超快連續(xù)觀測，如圖3所示。

圖2（a）基于空間分光；（b）基于時(shí)域頻率分光的超快連續(xù)成像系統(tǒng)示意圖。（Reprinted with permission.）

圖3（a）等離子體動(dòng)力學(xué)觀測示意圖；（b）等離子體動(dòng)力學(xué)過程超快連續(xù)成像結(jié)果；（c）晶體聲子動(dòng)力學(xué)觀測示意圖；（d）聲子動(dòng)力學(xué)過程超快連續(xù)成像結(jié)果。（Reprinted with permission.）

文中詳細(xì)介紹了9種不同類型的超快連續(xù)成像系統(tǒng)及其在觀測激光與物質(zhì)相互作用過程中的應(yīng)用，最高時(shí)間分辨率接近100fs，單次測量連續(xù)成像幀數(shù)最高可達(dá)到60幀。

4維超快電子顯微鏡技術(shù)是目前獲得高時(shí)空分辨能力的主要觀測手段之一。其典型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 典型的4維超快電子顯微鏡系統(tǒng)示意圖。（Reproduced with permission.）

該系統(tǒng)可用于觀測價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的動(dòng)力學(xué)過程與機(jī)理，如圖5所示。

圖5 半導(dǎo)體價(jià)帶電子被激光激發(fā)到導(dǎo)帶的動(dòng)力學(xué)過程觀測。（Reproduced with permission.）

04

未來展望

超快化學(xué)和超快物理的發(fā)展使得在激光加工中觀測和控制電子動(dòng)力學(xué)過程成為可能，從而大大推動(dòng)基礎(chǔ)制造研究的發(fā)展。在觀測超快激光與材料相互作用的局部瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)時(shí)空演化過程中，考慮時(shí)間和空間分辨率以及不同尺度下的全景測量仍然是兩大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，不同的超快成像技術(shù)，如泵浦探測、超快連續(xù)成像、4維超快掃描電子顯微鏡等，正在快速發(fā)展。這些方法各有優(yōu)勢，都克服了傳統(tǒng)圖像傳感器的限制，實(shí)現(xiàn)了更高的成像分辨率。在不久的將來，將不同技術(shù)的優(yōu)勢相結(jié)合，有望建立一個(gè)具有高時(shí)空分辨率和動(dòng)態(tài)連續(xù)觀測能力的多尺度觀測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可全面揭示激光制造過程中電子電離（飛秒皮秒尺度）和材料相變（皮秒納秒尺度）的結(jié)構(gòu)和性能的演變，這將有力促進(jìn)飛秒激光與材料相互作用過程機(jī)理的研究以及激光制造的快速發(fā)展。

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作者簡介

郭寶山，現(xiàn)任北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院副教授，博士畢業(yè)于中科院半導(dǎo)體研究所，發(fā)表專著2部，SCI及國際會(huì)議論文50余篇。主要從事激光微納制造領(lǐng)域激光與材料相互作用機(jī)理、新型微納制造方法及其超快觀測技術(shù)的科研工作，包括超快連續(xù)光譜與成像技術(shù)、相干反思托克斯拉曼檢測技術(shù)、時(shí)域展寬編碼放大檢測技術(shù)研究，表面等離子體動(dòng)力學(xué)調(diào)控與器件應(yīng)用等方面的研究。

孫靖雅，現(xiàn)任北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院副教授。她于2012年獲得新加坡國立大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。長期以來，一直從事微納光電材料及器件中載流子超快動(dòng)力學(xué)過程的四維高時(shí)空分辨原位研究，飛秒激光加工中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程（如電子電離與衰減、等離子體形成與膨脹等）的時(shí)間分辨泵浦探測陰影技術(shù)觀測研究。

姜瀾, 現(xiàn)任北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院講席教授，復(fù)雜微細(xì)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)國家級創(chuàng)新中心主任，“非硅微納制造”工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；入選教育部長江學(xué)者、（萬人計(jì)劃）首批科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才；是國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃）項(xiàng)目首席科學(xué)家、“增材制造與激光制造”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃總體專家組組長；當(dāng)選美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)會(huì)士、美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、國際納米制造學(xué)會(huì)會(huì)士；入選美國加州大學(xué)伯克利分校Russell Severance Springer Professor（榮譽(yù)杰出教授）。獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(第一完成人)、何梁何利科技創(chuàng)新獎(jiǎng)等。發(fā)表SCI論文250余篇，H因子45。主要從事激光微納制造領(lǐng)域的科研工作，首次實(shí)現(xiàn)了制造中對瞬時(shí)局部電子動(dòng)態(tài)的主動(dòng)控制及其多尺度觀測系統(tǒng)，大幅提高飛秒激光加工效率、精度、質(zhì)量、深徑比等，為多項(xiàng)國家重大工程提供了關(guān)鍵制造支撐。