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[Featured Article] Ultrafast dynamics observation during femtosecond laser-material interaction

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Release Date: 2020-03-13 Visited: 


飞秒激光与材料相互作用的超快动力学观测

郭宝山,孙靖雅,YongFeng Lu,姜澜

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1.文章导读


飞秒激光从原理和应用上都引起了人们的极大关注,特别是飞秒激光加工过程呈现出独特的激光与材料相互作用机理。在飞秒激光辐照的极端非平衡条件下,材料去除过程的基本科学问题仍未得到解答。为了解决这些基本问题,超快观测技术已经成为最重要的手段之一。

为此,北京理工大学郭宝山教授、姜澜教授、孙靖雅教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表的《飞秒激光与材料相互作用的超快动力学观测》综述系统介绍了用于激光与材料相互作用研究的主流超快观测技术的研究背景、最新进展及未来展望,包括时间分辨泵浦探测阴影成像技术、超快连续光学成像技术和四维超快扫描电子显微镜技术。


2.研究背景


超快激光可高质量制造难加工材料的三维复杂结构,有望成为未来高端制造的主要手段之一。通过超快激光与材料相互作用,改变材料的物态和性质,实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性,其机制涉及物理、化学、光学、材料、电子等多学科。由于超快激光制造在能量密度、作用空间、时间尺度和被加工材料吸收能量的可控尺度等方面都可分别趋于极端,而使其制造过程所利用的物理效应、作用机理不同于传统制造,其制造复杂结构的能力与品质远高于传统制造。飞秒激光电子动态调控制造新原理、新方法,首次实现了制造中对局部瞬时电子动态的主动调控及其多尺度观测,拓展了激光制造极限能力。但是,由于学科交叉的复杂性和制造要素的极端性,其观测、分析和认识都还存在诸多亟待揭示的问题。超快观测技术已经成为深入理解超快激光与材料相互作用过程与调控机理必不可少的研究手段。本文从基本原理出发,对前沿超快观测技术进行了深入的介绍,并对其在激光与材料相互作用中的代表性应用及其优缺点进行了系统描述。超快观测系统的时间和空间分辨率,以及不同尺度下的全景测量仍然是目前的两大挑战,因此,可兼顾时间和空间分辨率的多尺度观测系统将是未来的主要发展方向。


3.最新进展


文中讲到:基于典型的超快泵浦探测阴影成像技术,可揭示激光多脉冲加工过程局部瞬时电子密度的演化过程,其时间分辨率已经达到100 fs(图1)。

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图1(a)电子密度演化过程及其2维透射图像;(b)首脉冲导致次脉冲拉丝分裂现象示意图;

(c)脉冲延迟200 fs时的表面反射率。(Reprinted with permission.)


为了克服泵浦探测技术需要多次重复测量的缺点,已经发展出多种不同类型的超快连续成像技术,例如空间分光和时域频率分光技术,如图2所示,并可应用于激光等离子体动力学以及晶体声子动力学过程的超快连续观测,如图3所示。


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图2(a)基于空间分光;(b)基于时域频率分光的超快连续成像系统示意图。

(Reprinted with permission.)



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 图3(a)等离子体动力学观测示意图;(b)等离子体动力学过程超快连续成像结果;

(c)晶体声子动力学观测示意图;(d)声子动力学过程超快连续成像结果。

(Reprinted with permission.)


文中详细介绍了9种不同类型的超快连续成像系统及其在观测激光与物质相互作用过程中的应用,最高时间分辨率接近100fs,单次测量连续成像帧数最高可达到60帧。

4维超快电子显微镜技术是目前获得高时空分辨能力的主要观测手段之一。其典型实验系统如图4所示。


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图4 典型的4维超快电子显微镜系统示意图。 

(Reproduced with permission.)


该系统可用于观测价带电子被激发到导带的动力学过程与机理,如图5所示。


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图5 半导体价带电子被激光激发到导带的动力学过程观测。

(Reproduced with permission.)

4.未来展望


超快化学和超快物理的发展使得在激光加工中观测和控制电子动力学过程成为可能,从而大大推动基础制造研究的发展。在观测超快激光与材料相互作用的局部瞬时电子动态时空演化过程中,考虑时间和空间分辨率以及不同尺度下的全景测量仍然是两大挑战。为了应对这些挑战,不同的超快成像技术,如泵浦探测、超快连续成像、4维超快扫描电子显微镜等,正在快速发展。这些方法各有优势,都克服了传统图像传感器的限制,实现了更高的成像分辨率。在不久的将来,将不同技术的优势相结合,有望建立一个具有高时空分辨率和动态连续观测能力的多尺度观测系统。这种系统可全面揭示激光制造过程中电子电离(飞秒皮秒尺度)和材料相变(皮秒纳秒尺度)的结构和性能的演变,这将有力促进飞秒激光与材料相互作用过程机理的研究以及激光制造的快速发展。

5.作者简介


郭宝山,现任北京理工大学机械与车辆学院副教授,博士毕业于中科院半导体研究所,发表专著2部,SCI及国际会议论文50余篇。主要从事激光微纳制造领域激光与材料相互作用机理、新型微纳制造方法及其超快观测技术的科研工作,包括超快连续光谱与成像技术、相干反思托克斯拉曼检测技术、时域展宽编码放大检测技术研究,表面等离子体动力学调控与器件应用等方面的研究。         

孙靖雅,现任北京理工大学机械与车辆学院副教授。她于2012年获得新加坡国立大学物理学博士学位。长期以来,一直从事微纳光电材料及器件中载流子超快动力学过程的四维高时空分辨原位研究,飞秒激光加工中的复杂动力学过程(如电子电离与衰减、等离子体形成与膨胀等)的时间分辨泵浦探测阴影技术观测研究。

姜澜, 现任北京理工大学机械与车辆学院讲席教授,复杂微细结构加工技术国家级创新中心主任,“非硅微纳制造”工信部重点实验室主任;入选教育部长江学者特聘教授、国家“特支计划(万人计划)”首批科技创新领军人才;是国家杰出青年科学基金获得者、国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目首席科学家、“增材制造与激光制造”国家重点研发计划总体专家组组长;当选美国机械工程学会会士、美国光学学会会士、国际纳米制造学会会士;入选美国加州大学伯克利分校Russell Severance Springer Professor(荣誉杰出教授)。获国家自然科学二等奖(第一完成人)、何梁何利科技创新奖等。发表SCI论文250余篇,H因子45。主要从事激光微纳制造领域的科研工作,首次实现了制造中对瞬时局部电子动态的主动控制及其多尺度观测系统,大幅提高飞秒激光加工效率、精度、质量、深径比等,为多项国家重大工程提供了关键制造支撑。

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