高频飞秒激光器（可达若干吉赫兹，GHz）适用于调节和提高激光加工质量，以改善材料的物理化学性能。尽管烧蚀靶材动力学十分复杂，但是，材料科学家仍不能探索GHz飞秒激光器的激光-材料相互作用。
图1 (A)用 ICCD 相机对 GHz 脉冲烧蚀动力学进行时间分辨散射和发射成像的光学装置。在1030 nm 处的500飞秒激光在垂直聚焦在样品上。用532nm 连续波探针激光进行散射成像。在不使用探针激光的情况下，利用等离子体诱导的自发过程在500-930 nm 的光谱范围内进行成像。(B)单脉冲飞秒激光器的总通量为18.7 J/cm2的拥有WLI(顶部)和 SEM (底部) ；(C) GHz 脉冲为50脉冲，(D) GHz 脉冲为200脉冲。比例尺，5微米
近日，加州大学伯克利分校激光技术和机械工程专业的Minok Park团队通过时间分辨散射成像、发射成像和发射光谱等技术，研究了GHz飞秒激光脉冲对铜的烧蚀动力学，以上研究成果已发表在期刊《Science Advances》上。
该团队将以上几种方法结合起来，揭示了GHz飞秒激光如何与材料相互作用，它能够快速熔化并使其喷射出来。由于残留物有限，材料喷射过程在爆发照射后即停止，这样的过程可深入了解GHz飞秒激光激发的复杂烧蚀机制，并解释横切过程、纳米\微加工和光谱学中的最佳激光条件。
图2 单脉冲飞秒激光辐照。时间分辨(A)发射成像，(B)光发射光谱学和(C)散射成像显示在18.7 J/cm2的通量下，在不同的时间尺度上的烧蚀动力学。分别在100ns、200ns、500ns 和1μs 不同的 ICCD 下获得散射图像。这些图像中的蓝色线条代表铜靶表面，线条下面的图像是抛光铜表面的镜面反射。白色比例尺，50微米; 蓝色比例尺，10微米。
吉赫兹飞秒激光烧蚀
激光烧蚀是一种通过高功率激光相互作用逐渐去除材料表面的过程，可用于能量收集元件、存储元件、生物医学、光电子学和光谱学等领域。在此之前，通过超快飞秒激光烧蚀，材料科学家已实现材料加工和烧蚀的直接化、单一步骤化和无化学化。这一过程适用于精确调节烧蚀特性。
Park团队开发了多种方法实时监测激光烧蚀动力学。通过比较GHz飞秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀结果，他们发现，两种方法的吉赫可以加快熔融液体物质的喷射，停止辐射后，物质不再飞溅，因此，该团队直接了解了飞秒激光烧蚀的动力学和主要物理机制。
超快激光实验
在实验过程中，该团队使用一个光学系统来研究大气压下单飞秒激光脉冲和GHz飞秒脉冲对铜的烧蚀机制。通过时间分辨散射和发射图像，他们可视化发光和非发光样品。此外，他们用白光干涉测量法和扫描电子显微镜观察深度为500 nm的烧蚀坑形态。科学家们注意到在辐照点上出现了不规则的、重新固化的结构。与单脉冲辐照相比，重频提高了GHz脉冲的烧蚀效率。
图3 烧蚀动力学总结。(A)单脉冲飞秒激光和 GHz 脉冲诱导的实验喷射的 R-t 图。(B)单脉冲飞秒激光和(C) GHz 飞秒激光烧蚀动力学的实验研究。
可视化结果
此外，该团队观察了时间分辨图像、发射光谱和散射图像，以研究单脉冲飞秒激光在铜表面的烧蚀动力学（如图2）。图像显示从基底喷射出两种不同的粒子类型，包括在不同时间尺度之后释放的粒子类型: (1)在0-200纳秒延迟之后，和(2)在300纳秒至4微秒之间喷射的粒子类型。
此外，他们探索了时间分辨率的发射成像和光谱学，以及由50个脉冲组成GHz激发的烧蚀迸发图像。在实验过程中，他们注意到，球形的铜等离子体持续了30纳秒。
激光烧蚀动力学
经过200纳秒后，该团队没有观察到激光-物质相互作用区中心的喷射物，这表明目标没有被进一步烧蚀。这种行为明显不同于单脉冲烧蚀的动力学行为。
他们设计了两种促进物质喷射过程的机制，包括(1)物质在中心的汽化，和(2)液体通过快速、径向向外的流体运动形成熔池边缘的喷射，以反冲由汽化产生的压力。当铜纳米颗粒从熔池边缘喷出时，烧蚀坑表面仍有少量液体保持冰冻状态，他们利用扫描电子显微镜证实了这一点。
比较不同的激光烧蚀动力学过程
该团队使用时间分辨的发射成像，发射光谱和由千兆赫飞秒激光脉冲驱动的烧蚀散射图像。当他们在300秒之后释放散射图像时，喷出物显示了辐照点是如何冷却下来以抑制材料喷溅的。
通过比较了两种实验条件，他们进一步研究了由GHz脉冲驱动的铜的早期烧蚀动力学，并发现200脉冲驱动的GHz脉冲与50脉冲驱动的GHz脉冲驱动的铜具有明显不同的烧蚀动力学。与单脉冲照射相比，这些结果直接证实了GHz激光诱导烧蚀的不同机制。
展望
Minok Park 团队通过使用单飞秒激光脉冲和50-200脉冲的GHz脉冲多模式探测方法观察铜的烧蚀动力学。单脉冲飞秒激光在不同时间尺度上产生了两种不同喷射速度的粒子。
这些结果为全面了解GHz飞秒脉冲的熔融机制提供了实验依据，这对于探索激光加工、机械加工、印刷和光谱诊断等领域的各种应用至关重要。
