飞秒激光脉冲序列诱导击穿光谱增强机理及其在微/纳加工中的应用

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy(LIBS) is a powerful tool for elemental analysis based on plasma light emission and atomic emission. LIBS stands out for its unique advantages of long-distance operations and on line detection with smallest damage. Especially, femtosecond laser-induced breackdown spectroscopy(fs-LIBS) has promising applications in anti-terrorism, national defense, environmental monitoring and monitoring micro/nano fabrication process for its’ high spatial and temporal resolutions, signal to noise ratio and repeatibility. The spatial and temporal resolutions need to be further improved for monitoring the process of femtosencond laser micro/nano fabrication and the mechanism of plasma generation and enhancement are still not clear. The objectives of the project are: 1)to obtain enhanced spectral signal and high spatial resolution by controling the processes of electron ionization,the plasma expansion and emission. Resonant absorption occurs and improves the absorption efficiency greatly when the vibrating frequencies of electrons and photons are approximate through the pulse train design. Meanwhile,the ablation threshold decreases and the ablation efficiency increases; 2)to reveal the mechanism of plasma generation,expansion and emission by multiscale(ps-ns) observation with high temporal resolution using fs laser pulse train LIBS combined with pump-probe; 3）to adjust the temporal and spatial distribution of laser pulses by using the results of LIBS as negative feedback signal and to further optimize the fs laser micro/nano fabrication process.

激光诱导击穿光谱(LIBS)可检测所有的化学成分，能够实时和远程探测，特别是飞秒LIBS由于高时空分辨率、高信噪比和高可重复性等优势，在国防、环境监测和微纳制造过程监测等领域有重要应用前景。但其时空分辨率还有待进一步提高，等离子体产生及增强机理尚待进一步揭示。本项目提出通过飞秒脉冲序列设计调控电子电离过程，使产生的电子/等离子体频率与激发光子频率相当形成共振吸收，降低烧蚀阈值并提高激光的吸收效率，进而结合激光光束空间整形等方法在增强LIBS信号的同时提高飞秒激光LIBS的空间分辨率；利用飞秒激光LIBS结合泵浦-探测等手段提高时间分辨率，实现皮秒至纳秒尺度的多尺度观测，初步揭示激光加工中等离子体的产生、扩散和辐射机制；将LIBS多尺度探测结果作为负反馈信号来调控飞秒激光脉冲的时空状态，利用负反馈机制提高飞秒激光微纳加工的可控性和稳定性。

本项目全面完成了项目申请书的研究目标和预期研究结果，揭示了飞秒激光双脉冲LIBS中激光辐射与物质耦合、等离子体形成、扩散和辐射对加工尺寸精度的影响机理和材料成形规律。本项目部分成果获教育部技术发明一等奖1项(项目负责人排名第5)，发表SCI检索论文11篇；申请发明专利4项(授权1项)；培养博士后创新人才计划1名，博士生3名，硕士生6名。具体内容如下： .采用飞秒激光双脉冲调控结合金属纳米粒子辅助等新方法使熔融石英等材料的等离子体辐射强度比飞秒激光单脉冲提高30倍以上。首先研究了飞秒激光双脉冲加工熔融石英的LIBS信号增强，发现当激光通量为11J/cm2且脉冲延迟为120ps时相对于单脉冲LIBS增强倍数可达35倍，同时还降低了激光烧蚀直径和体积，提高了空间分辨率。研究表明第一束脉冲诱导产生的慢部成分对第二束脉冲强烈吸收后的再电离是等离子体辐射增强的主要原因。其次，利用飞秒激光双脉冲LIBS(DP-LIBS)结合金属纳米颗粒增强LIBS(NELIBS)，在石英晶体上同样实现了LIBS信号增强。在4.4J/cm2的低激光通量下光谱强度提高了30倍，其烧蚀深度可小于300nm。.采用fs-LIBS结合泵浦-探测的方法，针对飞秒激光加工金属材料(铜)及电介质材料(Si3N4陶瓷)过程，实现了从皮秒到纳秒的多尺度高时间分辨的观测过程，完成了飞秒激光辐照材料表面后从熔化、膨胀、光辐射、机械剥离、分解、纳米颗粒与团簇形成及最终烧蚀坑形貌的一系列过程观测。研究了双脉冲调制后脉冲延时等对等离子体温度和电子密度的影响，并研究了等离子体强度与电子、离子弛豫时间等因素的关系，揭示了等离子体光谱的增强机理。并揭示了激光微纳加工中等离子体产生和相变的物理和化学反应过程，及材料去除过程中的等离子体扩散和辐射过程。.通过飞秒激光双脉冲LIBS 实现了对氧化石墨烯还原过程的实时监测，并对牙齿样本的不同区域成分实现了高精度光谱检测。提出了一种简单、直接、快速的fs-LIBS定量还原氧化石墨烯(R-GO)的方法，该方法的检测结果与X射线光电子能谱（XPS）检测结果一致，但其检测成本和过程大幅降低和简化。此外，利用飞秒激光双脉冲LIBS对牙齿切片样本不同区域进行检测，并基于PCA算法实现了对牙釉质、牙本质和龋齿的成分区分，为未来牙科诊断及龋齿的去除提供必要的反馈。