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技术文章
GHz超快激光烧蚀：电子动力学与能量沉积的多维调控
点击次数：1637 发布时间：2025/9/25 18:10:48
研究背景
超短激光脉冲烧蚀具有热影响区小、精度高等优势，在透明材料微加工中已得到广泛研究和应用；基于脉冲序列模式的超短脉冲激光是进一步提高材料去除效率和质量的有效手段。脉冲序列模式的子脉冲重复频率常为~MHz，通过控制烧蚀与热积累等效应，显著提升了烧蚀效率。
为了追求更高的加工效率，近年来，重频GHz的脉冲序列激光烧蚀加工成为研究热点。GHz子脉冲间隔小于1 ns，能够同时实现对电子动力学过程和能量沉积分布的精密调控，从而实现烧蚀机理和效应的控制和优化。
GHz脉冲序列激光微加工研究主要集中在飞秒激光脉冲领域，而皮秒脉冲激光是目前工业领域最广泛应用的脉宽，皮秒脉冲烧蚀效应与飞秒脉冲存在显著差异，皮秒激光脉冲序列烧蚀效应研究仍然较少。
双脉冲属于脉冲序列模式的最基本形式，即泵浦-探测方法，是用于研究脉冲序列烧蚀物理过程的主要方法。因此，皮秒双脉冲烧蚀研究对于揭示皮秒脉冲序列烧蚀物理机理具有重要的应用价值。
创新工作
中科院上海光机所朱健强研究员、孙明营副研究员团队将双脉冲序列与时域整形相结合，基于亚纳秒级间隔的双脉冲序列，通过时域整形，调节子脉冲的能量比和时间延迟，对脉冲序列的形状进行灵活调制，探究样品表面烧蚀过程与机理。
不同形状双脉冲的烧蚀特性随通量增加的变化规律显著不同（图1），而泵浦脉冲通量起着决定性作用。
图1 时域整形双脉冲的烧蚀形貌随激光通量的变化
首先，根据不同形状、不同通量的双脉冲烧蚀形貌呈现显著的差异，烧蚀形貌可分为五种典型烧蚀形态（图2），分别为散点状、中心熔融、整体烧蚀、两种环状形貌出现。通过实验获得烧蚀形貌种类随泵浦和探测通量变化的分布规律；不同序列形状条件下，环状烧蚀形貌的出现与泵浦脉冲通量密切相关。
图2 皮秒双脉冲序列作用于K9玻璃的典型烧蚀形态
为了深入探索时域整形的双脉冲对烧蚀形貌的调控作用，定量分析了不同形状双脉冲辐照下烧蚀尺寸随通量的变化关系。首先，基于烧蚀形貌，定义了烧蚀尺寸外径和内环。内环尺寸仅与泵浦脉冲相关，与泵浦通量对数基本呈线性关系；外径烧蚀尺寸基本上取决于双脉冲总能量。第二，从烧蚀阈值上看，内环阈值与单脉冲阈值基本一致，这是泵浦脉冲作用的结果。双脉冲相互作用使得烧蚀区域尺寸显著增加，两个脉冲之间存在明显的孵化效应。
子脉冲间隔是脉冲序列的重要参量。对比研究了两子脉冲667 ps和333 ps间隔的烧蚀特性：较低通量时，较小脉冲间隔的烧蚀效率明显更高；但随着通量的增加，因冲击波和屏蔽效应，短间隔的烧蚀优势不再显现。此外，烧蚀环状的区别也可以反映出冲击波的传输特性。
结论与展望
基于实验结果，分析了GHz双脉冲烧蚀效应的物理图像，探索了烧蚀调控的物理机制。当脉冲序列的子脉冲重频达到GHz时，子脉冲时间间隔小于1 ns，每个子脉冲的通量对于脉冲序列烧蚀至关重要。本文研究结果有助于更深入地理解GHz激光烧蚀透明介质物理机制，优化其应用工艺。
参考文献： 中国光学期刊网
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