2018年12月9日，北京理工大学姜澜教授团队与中国科学院西安光学精密机械研究所李明研究员以及美国内布拉斯加林肯大学陆永枫教授等合作，通过泵浦探测阴影技术揭示了飞秒激光多脉冲加工硅过程中的空气等离子体激发和材料等离子体扩张等物理现象随激光诱导表面微纳结构的演化规律及其内在机制，相关研究成果以“Structure-Mediated Excitation of Air Plasma and Silicon Plasma Expansion in Femtosecond Laser Pulses Ablation”为题发表在《Research》（DOI: 10.1155/2018/5709748）上。

研究背景

飞秒激光具有超短的脉冲持续时间和超强的峰值功率密度，可实现材料的高精度、高质量和三维加工，有望成为未来高端制造的主要手段之一。飞秒激光微纳制造能为国防、航空航天、新能源、IC、消费电子、生物医疗等领域实现跨越式发展提供重要的制造支撑。

与此同时，飞秒激光微纳加工技术及其应用的快速发展迫切需要深入理解飞秒激光与材料相互作用的复杂动力学过程。采用时间分辨的超快观测技术能够对飞秒激光加工过程（如电子电离与衰减、等离子体形成与膨胀等）进行超快探测和分析，已成为揭示飞秒激光非线性、非平衡作用机理的主要途径之一。作为激光与材料相互作用的重要组成部分，飞秒激光诱导等离子体及其产生的冲击波在近年来得到了持续而深入的研究。然而，目前绝大多数的研究均聚焦于单脉冲加工，而对多脉冲飞秒激光诱导等离子体和冲击波的演化规律及其内在机制仍不清楚。随着激光辐照脉冲数的增加，其诱导产生的表面结构将显著影响后续激光与材料的相互作用过程。

北京理工大学姜澜教授前期提出并实现了超快激光与材料相互作用过程的多尺度观测系统，综合运用泵浦探测、激光诱导击穿光谱等技术，首次实现了对制造中以电子为能量载体主线的质能传输过程的观测，包括激光传播、电子电离及衰减、冲击波形成及材料相变以及材料去除/改性等，为制造新技术提供了观测证据。

研究进展

在此基础上，姜澜教授团队与中国科学院西安光学精密机械研究所李明研究员以及美国内布拉斯加林肯大学陆永枫教授等人开展合作，通过泵浦探测阴影成像技术（多尺度观测系统子系统），从飞秒-皮秒-纳秒时间尺度揭示了飞秒激光多脉冲诱导等离子体和冲击波的演化机制。研究人员首先聚焦于前两个激光脉冲加工过程，在飞秒时间尺度直接观测到第二个脉冲作用期间的空气等离子体激发（图1），明确了凹坑诱导激光再聚焦增强空气电离的物理机制；并通过皮秒-纳秒时间尺度的等离子体和冲击波图像揭示了空气等离子体通道对冲击波扩张的纵向增强作用和扩张维度的影响规律。

图1 前两个激光脉冲加工硅的飞秒时间尺度下的时间分辨阴影图

随后，课题组进一步研究了多脉冲加工过程中的空气等离子体激发、材料等离子体和冲击波扩张（图2）以及表面微纳结构随辐照脉冲数的演化规律。研究结果揭示了影响多脉冲激光诱导等离子体和冲击波扩张的两种物理机制：空气等离子体激发和激光与材料耦合，且这两种作用机理依赖于激光诱导的表面微纳结构形貌。

图2 飞秒激光诱导空气等离子体激发、材料等离子体和冲击波扩张随辐照脉冲数的演化规律

未来展望

此项研究通过泵浦探测阴影成像技术研究了飞秒激光多脉冲诱导的等离子体演化规律，并揭示了相应的物理机制，这对深入理解飞秒激光与材料的相互作用过程具有重要的科学意义。同时，该研究团队提出将进一步提升多尺度观测系统的观测能力，实现高时空分辨率、高信噪比的超快高精密多尺度观测系统，从电子层面全方位揭示了飞秒激光与材料相互作用过程的时空演变规律，为飞秒激光电子动态调控微纳制造等新方法提供观测基础、机理分析和优化指导。

《Research》作为《Science》自1880年创建以来第一本合作期刊，通过《Science》的高影响力国际化传播平台和丰富的国际化高端学术资源，正在快速提高期刊的国际知名度和影响力，刊登内容主要集中在：人工智能与信息科学/生物学与生命科学/能源研究/环境科学/新兴材料研究/机械/科学与工程/微纳米科学/机器人与先进制造领域。

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