Ultrafast dynamics observation during femtosecond laser-material interaction

郭宝山¹，孙靖雅¹，Yongfeng Lu²，姜澜¹

¹北京理工大学，中国

²内布拉斯加林肯大学，美国

论文简介：

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，并已成功应用于新能源、航空航天、国防等多个国家重大需求领域。超快激光具有超快超强特性，通过调控其与材料相互作用，可调控材料局部电子动态，进而改变材料的物态和性质，可实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性加工，其加工过程呈现出独特的激光与材料相互作用机理。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，必须更深刻地掌握飞秒激光与物质相互作用过程中的机理和规律，而具有飞秒级分辨率的超快观测技术已经成为飞秒激光超快动力学研究的有效手段之一。为此，本文系统综述了用于飞秒激光与材料相互作用研究的主流超快观测技术，包括时间分辨泵浦探测阴影成像技术、具有飞秒量级摄像能力的超快连续光学成像技术和具有高时空分辨能力的四维超快扫描电子显微镜技术。本文从基本原理出发，对每种技术进行了深入的介绍，并对其在激光超快动力学研究中的最新应用及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，为了实现制造过程中从电子电离（飞秒-皮秒尺度）、材料相变（皮秒到纳秒尺度）到组织性能演化（纳秒到毫秒尺度）等跨越十四个时间数量级多尺度过程的高分辨完整观测，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，进而从电子层面揭示飞秒激光与材料相互作用过程中时空演变规律，可为飞秒激光时域/空域/频域整形电子动态调控等制造新方法提供实验支撑与直接观测证据，为制造新方法应用提供指导和机理分析。

作者介绍：

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，发表专著一部，SCI及国际会议论文40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，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。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。

Yongfeng Lu, 现任美国内布拉斯加-林肯大学电气与计算机工程系卓越主席教授，中国长江学者讲座教授，美国光学学会会士、国际光学工程学会会士、美国激光学会会士，博士毕业于日本大阪大学。他是美国激光协会前任主席、肖洛奖得主，发表SCI论文300余篇。他的研究方向主要包括碳基材料、纳米光子学、纳米电子学、超级电容器、光学光谱和成像、纳米激光加工和表征、激光辅助纳米压印、利用扫描探针显微镜进行二维和三维纳米制造、激光辅助制备纳米材料等。

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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