导读

近期，深圳大学闵长俊教授团队在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Dual-modal spatiotemporal imaging of ultrafast dynamics in laser-induced periodic surface structures”的研究论文。

该研究提出了一种双模态超快显微镜系统，结合了二维反射率成像与三维地形成像。通过将泵探测技术与干涉成像系统集成，实现了236nm和256 fs的时空分辨率。利用该系统，研究团队成功研究了激光诱导的周期性表面结构在硅表面的形成、强化和抹除动力学。研究结果表明，双模态时空成像技术可作为分析激光烧蚀动力学的强大工具，有助于深入理解相关基本物理机制，并实现超快激光加工工艺的精准优化。

研究背景

超快激光与材料相互作用研究是先进制造领域的核心基础，具有重要科学价值。在超快激光与材料相互作用的微观世界，物理过程转瞬即逝——电子激发、非热熔融、库仑爆炸等关键步骤发生在飞秒量级时间尺度和微纳米量级空间尺度。其中涉及的物理过程丰富且复杂，物性变化和三维结构的超快演化同时存在。

长期以来，科学家们仅从单一视角观测这些超快现象。泵浦-探测显微成像技术是目前研究超快动力学的关键手段。该技术虽能通过反射成像获取亚皮秒时间分辨率与亚微米空间分辨率，揭示电离、烧蚀等过程的时间尺度，却仅能提供二维反射率信息。本团队于2022年提出基于傅里叶变换轮廓术的单帧结构光显微镜，可重建三维形貌，但会丢失反射率数据，且受斜入射约束空间分辨率受限（457 nm），并易受阴影效应干扰。目前，现有方法均无法同步获取材料光学特性与三维结构的完整动态信息，导致原位实验证据不足，难以精确指导激光微纳制造工艺的优化。

研究亮点

深圳大学闵长俊研究团队提出了一种双模态时空显微成像方法。该方法将泵浦-探测技术与干涉成像系统相结合，实现了对超快烧蚀过程中材料二维反射率和三维形貌变化的同步成像，解决了传统依赖反射成像的时空显微技术难以全面捕获材料特性与结构瞬态动态信息的问题。利用干涉系统记录从样品表面反射的探测光与参考光的干涉图样，通过傅里叶变换分别提取零级（对应反射率强度变化）和一级频谱分量（对应由高度变化引起的相位信息），进而重建出时间分辨的反射率图像和三维形貌图像（基本原理如图1所示）。该系统实现了236 nm的空间分辨率和256fs的时间分辨率，并通过研究硅表面激光诱导周期性表面结构（Laser induced periodic surface structure, LIPSS）的形成、强化与擦除动力学，验证了其用于全面分析烧蚀动力学的能力。

图1： (a)双模态时空显微成像系统示意图，其中红色为中心波长800nm的泵浦光，紫色为400nm的探测光；(b)a中探测臂与参考臂在CCD表面干涉，获取原始干涉图像；(c)双模态图像重建流程。傅里叶变换分别提取零级和一级频谱分量，重建反射率和表面形貌图像

研究团队利用自主开发的双模态时空显微系统，成功捕获了硅表面在正交偏振双脉冲作用下的超快动力学过程，同步记录了材料反射率与三维形貌的瞬态演化（如图2所示）。实验观测表明：首对脉冲触发材料熔融并显著提升表面反射率，同时形貌呈现浅坑结构；第二对脉冲进一步扩大熔融区域。在次对脉冲作用阶段，熔融区中心于150 ps延迟时发生烧蚀现象，反射率图像出现特征性暗区，而三维形貌清晰显示深坑结构与凸起边缘。值得注意的是，烧蚀区周围同步形成双向正交周期性条纹（LIPSS雏形），且该结构在800 ps后的冷却过程中深度逐渐减小，表明熔体流动产生平滑效应。第三对脉冲则显著强化了棋盘状周期性结构的形貌特征。

图2：双模态时空成像技术用于研究硅表面在不同正交偏振脉冲对照射下LIPSS形成动力学。左侧示意图展示了硅表面分别受到第一个a、第二个b和第三个c脉冲对照射的情景。a-c图的右上栏显示了每次照射后表面地形的变化，而右下栏显示了反射图像。图中显示的时间对应于泵浦-探测时间延迟

通过偏振调控实验进一步发现：当第一个y偏振脉冲作用于已形成的x偏振LIPSS结构时，熔融层流动会抹平原有纵向条纹。与此同时，烧蚀区内即刻新生横向周期性结构（如图3所示）；当第二个y偏振脉冲冲击表面后，原有的纵向条纹被完全抹除，仅有横向条纹留存。这一现象表明LIPSS形成源于激光-物质相互作用初期的电磁调制烧蚀机制，即表面等离激元主导的能量沉积调制，而非依赖熔体流体动力学的传统自组织模型。

图3：双模态时空成像展示了在硅表面预制的LIPSS结构上形成新的LIPSS结构的过程。左侧图示展示了硅表面首先被三个x偏振脉冲（a）照射，随后又被两个y偏振脉冲（b-c）照射。图中a-c部分的右上角展示了表面形貌的变化，而右下角则显示了相应的反射强度图。图中标注的时间对应于泵浦-探测时间延迟

总结与展望

本研究通过集成泵浦-探测技术与干涉成像系统，实现了同步获取材料二维反射率与三维形貌的超快动态信息。系统实现了 236 nm 空间分辨率 与 256 fs时间分辨率，成功应用于硅表面激光诱导周期性结构形成与擦除过程的原位观测，为超快激光制造提供了关键的动态过程解析工具，促进精密表面功能化制造的工艺调控。未来，通过优化系统的时空分辨率，双模态成像技术将在精密表面功能化制造中发挥更重要的作用。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.030