封面 | 揭开硬脆材料的碎裂机制——微结构辅助下的光场重塑
王谦豪, 赵华龙, 杨小君, 温文龙, 李益. 飞秒激光多脉冲烧蚀过程中飞秒时间分辨电子状态的观测研究[J]. 中国激光, 2023, 50(24): 2402101.
封面解读
封面展示了飞秒激光多脉冲加工硬脆透明材料时，材料微观形貌的形成与内部等离子体的成丝演化过程。在多脉冲烧蚀作用下，形成的微结构对后续光场产生了重塑效应，从而引导了电离成丝的空间分布。通过泵浦探测阴影成像技术，对微结构辅助下的电离成丝过程进行高时间分辨成像，揭示了硬脆透明材料中微裂纹等工艺缺陷的形成机制。研究背景
飞秒激光脉冲因其具有极高的峰值功率与高斯分布的横场能量，与材料相互作用时会出现非线性吸收与电离过程。这种物理机制可使飞秒激光将束缚态电子瞬间激发，进而精确去除材料。因此，飞秒激光微加工技术在硬脆透明材料的刻蚀、切割与钻孔等方面具有无可替代的优势。
但在实际的激光微加工应用中，往往需要通过调节焦点在材料内的相对位置与脉冲的辐照数量来控制消融后结构的形貌与深度。其间，材料内部会不可避免地产生“微裂纹”等工艺缺陷，严重制约了应用场景的扩展。
在飞秒激光加工硬脆透明材料方面，人们对材料内“微裂纹”等共性工艺问题的产生机制尚没有直观的认识。即在不同的材料微观形貌下，需要重新考虑光场的传播与材料的电离过程。因此，从机理上对上述工艺问题的形成进行探索，是认识光与物质相互作用以及激光多脉冲加工硬脆材料物理过程的重中之重。
创新工作
为探究飞秒激光微加工实际应用场景下，材料内部微裂纹与诱导条纹等共性工艺问题的产生与光场传播机制，中国科学院西安光学精密机械研究所光子制造系统与应用研究中心赵华龙研究员团队基于泵浦探测阴影成像技术得到了不同聚焦条件与焦点位置下，材料微结构的形成以及微结构对后续光场的重塑过程。同时通过飞秒时间分辨等离子体丝的阴影演化图像揭示了共性工艺问题的产生机制。
在不同的聚焦条件下，拍摄前219个脉冲作用材料形成的微结构对第220个脉冲的光场重塑过程。首先在 20×（NA=0.4）的聚焦条件下，研究泵浦光焦点在石英内部100 μm时，多脉冲作用下微结构的形成与后续脉冲的传播与电离情况（图1）。
在脉冲传播过程中，小孔两侧出现了等离子体“侧枝”。随着延时增加，在激光脉冲传播的轴线上出现了电子数密度的峰值。焦点在石英内部+100 μm处，微结构的侧壁倾斜角减小，侧壁区域形成了更明显的等离子体丝；激光在传播轴线与侧壁区域的光程差，导致电子数密度的峰值出现在离凹坑底部更远的位置。
而后在 40×（NA=0.6）聚焦条件下，对多脉冲烧蚀下光脉冲的传播与电离过程进行研究。如图2所示，在多脉冲辐照下，石英表面形成了近似倒梯形的凹坑结构。基于此结构，后续脉冲发生了能量的再分布，并形成了明显的等离子体侧枝。当焦点在石英内部100 μm处，侧壁的倾斜角增大，激光场在整个侧壁区域产生的等离子体均减弱，并且在倒梯形底部区域产生了强烈的成丝现象。这是因为此区域相对“平坦”，激光场的自聚焦效应与等离子体的散焦效应占主导。
图2 40×聚焦且焦点在石英内部100 μm处时，第220个脉冲传播过程的阴影图
为深入理解多脉冲加工中的微裂纹、诱导条纹等共性工艺问题，将裂纹区域与瞬态电离区域进行对比研究。V形结构的形成伴随着微裂纹的产生过程，随着侧壁倾斜角的变化（消融），电离成丝的方向不断变化，直至横扫了整个侧壁区域。激光传输轴线方向上的等离子体分布在加工过程中表现为微结构深度的增加。
在形成倒梯形微结构过程中，侧壁与底面均发生了碎裂，对应于倒梯形微结构侧壁与底面处的等离子体成丝过程。由于侧壁与底面对后续光场进行了重塑，影响了能量的沉积，从而产生了裂纹与碎裂。
结论与展望
不同形貌微结构辅助下的光场重塑效应是影响能量沉积的关键，也是共性工艺问题的产生机制。这一结果为加工工艺的优化指明了方向，如脉冲数量的选择与焦点进给量的控制。此外，高时间分辨的泵浦探测阴影成像技术可预测硬脆透明材料的碎裂区域与加工进程，并有望成为高端加工装备在线监测的有力工具。
课题组介绍
光子制造系统与应用研究中心是中国科学院西安光学精密机械研究所面向国家战略需求与国民经济主战场，探索与实践新模式、新体制、新机制的研究中心，重点着眼于光子极端制造领域关键技术的突破，构建了超快激光微加工设备与应用的技术平台。
光子制造系统与应用研究中心先后承担工信部重大专项、科技部国家重点研发计划、中国科学院弘光专项等多个国家、中国科学院、省部级项目，突破了30余项制约超快激光微加工装备工程化应用的“卡脖子”技术，包括核心关键部件、复杂系统集成及全套工艺解决方案，在国内率先研制出系列化超快激光微加工装备，填补了国内空白，部分指标达国际先进水平，并已在40余家行业代表单位实现重大应用。
通信作者简介
赵华龙，副研究员，现任中国科学院西安光学精密机械研究所光子制造系统与应用研究中心主任，全国特种加工机床标准化委员会委员、中国光学工程学会青委会委员。主要从事精密光电仪器和超快激光微加工技术研究，擅长光学仪器光机总体设计与激光与材料作用工艺分析，主持工信部04专项、科技部仪器专项、国家重点研发、基础加强和中国科学院弘光专项等十多项国家级科研项目，取得了多项具有重要科学价值的研究成果，突破了高精度光束扫描、高能量激光调制等关键技术，开发出了系列化面向航空、航天领域的超快激光精密加工装备，并已实现多个领域和型号产品的广泛应用。
期刊简介：
《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题刊和“生物医学光子学”专题刊。
《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。
“前沿激光制造”专题刊聚焦国内外激光制造领域的优秀成果，通过快速报道领域内的动态与发展趋势，推动激光制造领域的产学研创新发展。专题刊发文涵盖“激光微纳制造”“激光增材制造”“激光成形制造”“激光表面加工”，每年出版6~8期，平均外审周期21天，录用周期50天。
编辑 | 沈灵灵
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