盡管數(shù)十年來對激光及其應(yīng)用進行了大量研究，但科學(xué)家們?nèi)噪y以準確，直接地觀察其與材料相互作用的細節(jié)。來自東京大學(xué)的研究人員首次發(fā)現(xiàn)了一種使用低成本設(shè)備從生產(chǎn)激光器中獲取此類數(shù)據(jù)的方法。該技術(shù)可以極大地提高用激光切割或蝕刻的物品的準確性。鑒于目前激光器的普遍應(yīng)用，這可能對工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生廣泛的影響。
超快激光燒蝕允許對材料進行前所未有的自由操作，部分原因是可以選擇大量參數(shù)來調(diào)整所涉及的物理過程。盡管以前僅限于實驗室環(huán)境，但是固態(tài)激光技術(shù)的發(fā)展已實現(xiàn)了穩(wěn)健的操作和較低的引入成本，這兩者都有助于其向更廣泛的工業(yè)環(huán)境中傳播。因此，超快激光燒蝕作為一種實際解決方案已受到越來越多的關(guān)注，因為它是支持現(xiàn)代制造業(yè)多樣化需求所需的更快、更清潔和定制的制造方法。
盡管超快激光燒蝕的潛力無疑很高，但仍然有很多可供選擇的參數(shù)來控制其工藝，例如波長、偏振和脈沖持續(xù)時間，也使優(yōu)化它的工作復(fù)雜化。各種因素相互疊加，使反復(fù)試驗方法難以設(shè)計和理解。此外，激光引起的擊穿問題在物理學(xué)上本身是一個難題，并且仍在積極研究中，仍有新的現(xiàn)象被報道。這種情況在以下方面也很明顯：描述看似基本的依存關(guān)系（例如理解燒蝕孔深度與入射激光注量的關(guān)系）仍然是一項艱巨的任務(wù)。
（左下）激光在材料上打孔。（左上方）測量激光的通量。（右下）疊加了通量和孔深的測量值。（右上）然后確定這些測量值之間的關(guān)系，以便可以僅基于注量來計算孔深度。
了解燒蝕形貌與入射脈沖的關(guān)系對于微加工至關(guān)重要，也是模擬的重要基準。然而，目前的形態(tài)分析依賴于對實驗條件的大量簡化，例如用單個注量值來減少獨特的光束輪廓，或者用最大凹坑深度或直徑來描述燒蝕形態(tài)。形態(tài)數(shù)據(jù)不僅在分類激光燒蝕結(jié)果方面具有定性重要性，而且在定量數(shù)據(jù)方面也很重要，在定量數(shù)據(jù)中可以輕松地將結(jié)果與數(shù)值模型的結(jié)果進行比較。但是，仍然存在大量可用的參數(shù)，這使得對形態(tài)學(xué)進行全面，標準化的研究變得很困難，其中可能的輻照方案的組合使大多數(shù)分析變得復(fù)雜。
可以說，能提高激光精度的一種重要方法是獲得有關(guān)激光與材料相互作用的方式的反饋的更好方法。這將在生產(chǎn)激光器的切割和蝕刻動作中賦予更大的控制力和更少的不確定性。事實證明，到目前為止，這個問題難以解決。因此，來自東京大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種形態(tài)學(xué)分析方法，這種新方法可以確定和預(yù)測激光脈沖產(chǎn)生的孔的深度，該方法基于單個觀察結(jié)果而不是數(shù)十個或數(shù)百個觀察結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)是提高激光加工可控性的重要一步。
圖1：實驗概述和設(shè)置。
▲圖解：能量密度映射過程的概述，其中精確的光束輪廓和精確的隕石坑輪廓在空間上相關(guān)，此后，將局部高度重新繪制為局部能量密度的函數(shù)。b. 實驗設(shè)置。光源要么是再生放大器的基本光，要么是它所泵浦的OPA。調(diào)整光的強度，然后在XYZ平臺上使用集成CMOS攝像頭將其聚焦到樣品架上。通過橫向移動支架，可以實現(xiàn)對焦點處的原位光束輪廓的測量或?qū)悠返奶幚怼?/p>
如實驗裝置圖所示，研究人員使用藍寶石作為基準材料，將藍寶石板安裝在與CMOS相機相鄰的支架上。在每次消融之前，通過CMOS相機在空間上原位測量處理光束的光束輪廓。為了直接成像這樣的小輪廓，需要一個典型的像素間距，該間距遠小于光斑尺寸（通常為幾十微米）。為此，研究人員使用了緊湊的板載型CMOS相機。當測試激光設(shè)備在藍寶石上打孔時，照相機直接記錄了激光脈沖的注量分布。然后，激光顯微鏡測量孔的形狀。通過將這兩個結(jié)果疊加起來并使用現(xiàn)代數(shù)值方法，該團隊得出了一個龐大而可靠的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集可以準確地得出通量與孔深之間的關(guān)系。
這是一種提取經(jīng)過充分研究的值和相關(guān)性（例如燒蝕閾值）的可靠方法，并且是探查過程空間獨立性的一種方法。
圖2：燒蝕的隕石坑和藍寶石光束輪廓的相關(guān)過程。
▲圖解：a. 數(shù)據(jù)對應(yīng)于在30μJ時用單個1028 nm、190 fs脈沖進行的燒蝕。燒蝕后的火山口的光學(xué)顯微鏡圖像。比例尺對應(yīng)于10μm。b. 從激光掃描顯微鏡測量獲得的燒蝕后的隕石坑的相應(yīng)高度輪廓。c. 在焦點處原位測量的消融脈沖的光束輪廓。d. 空間疊加的樣條曲線插值后的光束輪廓和高度，光束強度顯示為等高線。光束強度的單位也被轉(zhuǎn)換為能量密度。
圖3：藍寶石的注量圖。
▲圖解：數(shù)據(jù)來自圖2的藍寶石隕石坑輪廓（1028 nm，190 fs單脈沖燒蝕(30μJ)）和圖2的光束輪廓。每個紅點分別對應(yīng)于隕石坑顯微鏡數(shù)據(jù)的高度數(shù)據(jù)點。裝箱平均值以黑色顯示。可以從該單一曲線圖來解釋特征形態(tài)特征，例如消融脈沖的峰通量（深紅色，實心），閾值通量（橙色，虛線）和火山口深度（藍色，實心）。
圖4：從注量圖揭示的特性。
▲圖解：a. 在5種不同的脈沖能量下，通過1028nm，190fs的激光脈沖在藍寶石表面燒蝕了隕石坑。比例尺對應(yīng)于10μm。b. 火山口的對應(yīng)注量圖a。火山口形態(tài)發(fā)生突變時，可以辨認出兩個閾值，用實心三角形和空心三角形表示。c, d在由空心三角形表示的第二閾值上方（d）和下方（c）的兩個凹坑的代表性空間線輪廓。標出局部能量密度高于b中突出顯示的兩個相應(yīng)閾值的大致空間位置。
總之，研究人員展示了一種用于激光燒蝕研究中的形態(tài)數(shù)據(jù)分析的方法。這樣的分析可以極大地提高消融定量測量關(guān)于射束輪廓偏差的魯棒性，并且可以大大提高數(shù)據(jù)利用率。該方法的主要優(yōu)點包括檢查與脈沖能量變化有關(guān)的燒蝕過程的局部注量依賴性的能力，以及通過分析形態(tài)的精細趨勢來區(qū)分各種閾值的能力。這項研究為未來的發(fā)展打開了前景。實際上，當前的方法對于定量比較不同激光系統(tǒng)之間的實驗結(jié)果是重要的，其中光束輪廓的空間偏差可能起著不可忽略的作用。即使在相同的激光系統(tǒng)的情況下，由于參數(shù)的變化，例如OPA的波長，也可能出現(xiàn)很大的偏差。
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