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).

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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。飛秒激光電子動態(tài)調(diào)控制造新原理、新方法，首次實現(xiàn)了制造中對局部瞬時電子動態(tài)的主動調(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)缺點進(jìn)行了系統(tǒng)描述。超快觀測系統(tǒng)的時間和空間分辨率，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。

03

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電子密度的演化過程，其時間分辨率已經(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，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力學(xué)以及晶體聲子動力學(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）等離子體動力學(xué)觀測示意圖；（b）等離子體動力學(xué)過程超快連續(xù)成像結(jié)果；（c）晶體聲子動力學(xué)觀測示意圖；（d）聲子動力學(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)是目前獲得高時空分辨能力的主要觀測手段之一。其典型實驗系統(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)可用于觀測價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的動力學(xué)過程與機(jī)理，如圖5所示。

圖5 半導(dǎo)體價帶電子被激光激發(fā)到導(dǎo)帶的動力學(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力學(xué)過程成為可能，從而大大推動基礎(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電子動態(tài)時空演化過程中，考慮時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，有望建立一個具有高時空分辨率和動態(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)、時域展寬編碼放大檢測技術(shù)研究，表面等離子體動力學(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力學(xué)過程的四維高時空分辨原位研究，飛秒激光加工中的復(fù)雜動力學(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”工信部重點實驗室主任；入選教育部長江學(xué)者、（萬人計劃）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、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃）項目首席科學(xué)家、“增材制造與激光制造”國家重點研發(fā)計劃總體專家組組長；當(dāng)選美國機(jī)械工程學(xué)會會士、美國光學(xué)學(xué)會會士、國際納米制造學(xué)會會士；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(第一完成人)、何梁何利科技創(chuàng)新獎等。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，首次實現(xiàn)了制造中對瞬時局部電子動態(tài)的主動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，為多項國家重大工程提供了關(guān)鍵制造支撐。