盡管數十年來對激光及其應用進行了大量研究，但科學家們仍難以準確，直接地觀察其與材料相互作用的細節。來自東京大學的研究人員首次發現了一種使用低成本設備從生產激光器中獲取此類數據的方法。該技術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用，這可能對工業應用產生廣泛的影響。
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來調整所涉及的物理過程。盡管以前僅限于實驗室環境，但是固態激光技術的發展已實現了穩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環境中傳播。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注，因為它是支持現代制造業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來控制其工藝，例如波長、偏振和脈沖持續時間，也使優化它的工作復雜化。各種因素相互疊加，使反復試驗方法難以設計和理解。此外，激光引起的擊穿問題在物理學上本身是一個難題，并且仍在積極研究中，仍有新的現象被報道。這種情況在以下方面也很明顯：描述看似基本的依存關系（例如理解燒蝕孔深度與入射激光注量的關系）仍然是一項艱巨的任務。
（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系對于微加工至關重要，也是模擬的重要基準。然而，目前的形態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。形態數據不僅在分類激光燒蝕結果方面具有定性重要性，而且在定量數據方面也很重要，在定量數據中可以輕松地將結果與數值模型的結果進行比較。但是，仍然存在大量可用的參數，這使得對形態學進行全面，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分析變得復雜。
可以說，能提高激光精度的一種重要方法是獲得有關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，來自東京大學的研究人員開發了一種形態學分析方法，這種新方法可以確定和預測激光脈沖產生的孔的深度，該方法基于單個觀察結果而不是數十個或數百個觀察結果。這一發現是提高激光加工可控性的重要一步。
圖1：實驗概述和設置。
▲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，此后，將局部高度重新繪制為局部能量密度的函數。b. 實驗設置。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，可以實現對焦點處的原位光束輪廓的測量或對樣品的處理。
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。通過將這兩個結果疊加起來并使用現代數值方法，該團隊得出了一個龐大而可靠的數據集，該數據集可以準確地得出通量與孔深之間的關系。
這是一種提取經過充分研究的值和相關性（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過程。
▲圖解：a. 數據對應于在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顯微鏡圖像。比例尺對應于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換為能量密度。
圖3：藍寶石的注量圖。
▲圖解：數據來自圖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。每個紅點分別對應于隕石坑顯微鏡數據的高度數據點。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。比例尺對應于10μm。b. 火山口的對應注量圖a。火山口形態發生突變時，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數據分析的方法。這樣的分析可以極大地提高消融定量測量關于射束輪廓偏差的魯棒性，并且可以大大提高數據利用率。該方法的主要優點包括檢查與脈沖能量變化有關的燒蝕過程的局部注量依賴性的能力，以及通過分析形態的精細趨勢來區分各種閾值的能力。這項研究為未來的發展打開了前景。實際上，當前的方法對于定量比較不同激光系統之間的實驗結果是重要的，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的情況下，由于參數的變化，例如OPA的波長，也可能出現很大的偏差。
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