超快千兆赫兹爆发飞秒激光烧蚀的机制

千兆赫飞秒激光器适用于提高和调节激光加工质量，以设计材料的物理化学特性。材料科学家试图通过千兆赫飞秒激光器了解激光 - 材料相互作用，尽管由于相关的烧蚀动力学，该方法很复杂。

在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，Minok Park和加州大学伯克利分校激光技术和机械工程的科学家团队通过时间分辨散射成像，发射成像和发射光谱学，使用千兆赫飞秒爆发研究了铜的烧蚀动力学。

研究人员结合了几种方法来揭示千兆赫兹飞秒爆发的过程，该过程迅速从辐照点中去除熔融铜，以进行材料喷射。由于残余物质的数量有限，材料喷射过程在爆破辐照后停止，以深入了解通过千兆赫飞秒爆发触发的复杂烧蚀机制，这些机制用于在横切过程中选择最佳激光条件，纳米/微制造和光谱学。

千兆赫兹和飞秒激光烧蚀

激光烧蚀是通过高功率激光的相互作用从表面去除材料的过程，对能量收集和存储、生物医学、光电子学和光谱学产生重大影响。材料科学家已经取得了巨大的能力，通过使用超快飞秒激光烧蚀，为材料加工和烧蚀取样提供直接、一步、无化学品的途径。该过程适用于精确调节消融特征。

在这项研究中，Park及其同事开发了多种方法来检查实时激光消融动力学。他们研究了用千兆赫兹飞秒激光脉冲烧蚀铜，并将结果与飞秒脉冲消融进行了比较。组合方法导致熔融液体材料的快速去除，同时在突发照射后停止材料去除。研究人员直接了解了飞秒脉冲千兆赫兹消融的动力学和主导机制。

超快激光实验

在实验过程中，该团队使用光学系统研究了铜在大气压下具有单飞秒激光脉冲和千兆赫兹飞秒爆发的烧蚀机制。使用时间分辨散射和发射图像，研究人员可视化了发光和非发光物种。他们用白光干涉测量和扫描电子显微镜表征了陨石坑形态，将原始铜表面烧蚀到500nm的深度。科学家们注意到在辐照点上出现了不规则的，重新固化的结构。与单脉冲照射相比，千兆赫脉冲群的消融效率提高了歧管。

研究小组观察了时间分辨图像，发射光谱和散射图像，以研究单脉冲飞秒激光器在铜表面上的烧蚀动力学。这些图像揭示了两种不同类型的颗粒从基质中喷射出来，包括在不同时间尺度后释放的颗粒：(1)在0-200纳秒延迟后，以及(2)在300纳秒到4微秒之间喷射的颗粒。

研究人员探索了时间分辨发射成像和光谱学，以及由50个脉冲组成的千兆赫兹爆发引起的消融羽流的图像。他们在实验过程中注意到球形铜等离子体30纳秒。

激光烧蚀动力学

在200纳秒的时间段后，研究小组没有在激光物质相互作用区的中心观察到喷射物;表明目标没有进一步消融。这种行为与单脉冲消融的动力学明显不同。

该团队为材料喷射的潜在过程设计了两种促成机制，包括(1)中心材料的汽化，以及(2)液体通过快速的径向向外流体运动从熔池边缘喷射到汽化施加的反冲压力。当铜纳米颗粒从熔池边缘排出时，有限量的液体仍然冻结在火山口表面，他们使用扫描电子显微镜验证了这一点。

比较激光烧蚀动力学

科学家们使用了由千兆赫兹飞秒激光爆发驱动的时间分辨发射成像，发射光谱和烧蚀的散射图像。当他们在300s之后的时间尺度上发布散射图像时，喷射物显示了辐照点如何冷却以抑制材料去除。

研究人员比较了这两种实验条件，并进一步研究了由千兆赫兹脉冲驱动的铜的早期烧蚀动力学，以注意到与200个脉冲驱动的千兆赫兹脉冲相比，用50个脉冲驱动的千兆赫兹脉冲的烧蚀动力学明显不同。与单脉冲照射相比，结果直接证实了千兆赫兹定向激光诱导消融的不同机制。

展望

通过这种方式，Minok Park及其同事通过使用单飞秒激光脉冲和通过多模态探测方法具有50-200个脉冲的千兆赫兹脉冲来观察铜的烧蚀动力学。单脉冲飞秒激光照射在不同的时间尺度上产生了两种具有不同喷射速度的颗粒。

这些结果为全面了解千兆赫兹飞秒爆发背后的烧蚀机制提供了见解，这对于探索激光加工、加工、打印和光谱诊断的各种应用至关重要。