GHz超快激光燒蝕：電子動力學與能量沉積的多維調控

更新時間：2025-09-25

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研究背景

超短激光脈沖燒蝕具有熱影響區小、精度高等優勢，在透明材料微加工中已得到廣泛研究和應用；基于脈沖序列模式的超短脈沖激光是進一步提高材料去除效率和質量的有效手段。脈沖序列模式的子脈沖重復頻率常為~MHz，通過控制燒蝕與熱積累等效應，顯著提升了燒蝕效率。

為了追求更高的加工效率，近年來，重頻GHz的脈沖序列激光燒蝕加工成為研究熱點。GHz子脈沖間隔小于1 ns，能夠同時實現對電子動力學過程和能量沉積分布的精密調控，從而實現燒蝕機理和效應的控制和優化。

GHz脈沖序列激光微加工研究主要集中在飛秒激光脈沖領域，而皮秒脈沖激光是目前工業領域泛應用的脈寬，皮秒脈沖燒蝕效應與飛秒脈沖存在顯著差異，皮秒激光脈沖序列燒蝕效應研究仍然較少。

雙脈沖屬于脈沖序列模式的最基本形式，即泵浦-探測方法，是用于研究脈沖序列燒蝕物理過程的主要方法。因此，皮秒雙脈沖燒蝕研究對于揭示皮秒脈沖序列燒蝕物理機理具有重要的應用價值。

創新工作

中科院上海光機所朱健強研究員、孫明營副研究員團隊將雙脈沖序列與時域整形相結合，基于亞納秒級間隔的雙脈沖序列，通過時域整形，調節子脈沖的能量比和時間延遲，對脈沖序列的形狀進行靈活調制，探究樣品表面燒蝕過程與機理。

不同形狀雙脈沖的燒蝕特性隨通量增加的變化規律顯著不同（圖1），而泵浦脈沖通量起著決定性作用。

圖1 時域整形雙脈沖的燒蝕形貌隨激光通量的變化

首先，根據不同形狀、不同通量的雙脈沖燒蝕形貌呈現顯著的差異，燒蝕形貌可分為五種典型燒蝕形態（圖2），分別為散點狀、中心熔融、整體燒蝕、兩種環狀形貌出現。通過實驗獲得燒蝕形貌種類隨泵浦和探測通量變化的分布規律；不同序列形狀條件下，環狀燒蝕形貌的出現與泵浦脈沖通量密切相關。

圖2 皮秒雙脈沖序列作用于K9玻璃的典型燒蝕形態

為了深入探索時域整形的雙脈沖對燒蝕形貌的調控作用，定量分析了不同形狀雙脈沖輻照下燒蝕尺寸隨通量的變化關系。首先，基于燒蝕形貌，定義了燒蝕尺寸外徑和內環。內環尺寸僅與泵浦脈沖相關，與泵浦通量對數基本呈線性關系；外徑燒蝕尺寸基本上取決于雙脈沖總能量。第二，從燒蝕閾值上看，內環閾值與單脈沖閾值基本一致，這是泵浦脈沖作用的結果。雙脈沖相互作用使得燒蝕區域尺寸顯著增加，兩個脈沖之間存在明顯的孵化效應。

子脈沖間隔是脈沖序列的重要參量。對比研究了兩子脈沖667 ps和333 ps間隔的燒蝕特性：較低通量時，較小脈沖間隔的燒蝕效率明顯更高；但隨著通量的增加，因沖擊波和屏蔽效應，短間隔的燒蝕優勢不再顯現。此外，燒蝕環狀的區別也可以反映出沖擊波的傳輸特性。

結論與展望

基于實驗結果，分析了GHz雙脈沖燒蝕效應的物理圖像，探索了燒蝕調控的物理機制。當脈沖序列的子脈沖重頻達到GHz時，子脈沖時間間隔小于1 ns，每個子脈沖的通量對于脈沖序列燒蝕至關重要。本文研究結果有助于更深入地理解GHz激光燒蝕透明介質物理機制，優化其應用工藝。

參考文獻：中國光學期刊網

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