尽管数十年来对激光及其应用进行了大量研究，但科学家们仍难以准确，直接地观察其与材料相互作用的细节。来自东京大学的研究人员首次发现了一种使用低成本设备从生产激光器中获取此类数据的方法。该技术可以极大地提高用激光切割或蚀刻的物品的准确性。鉴于目前激光器的普遍应用，这可能对工业应用产生广泛的影响。

超快激光烧蚀允许对材料进行前所未有的自由操作，部分原因是可以选择大量参数来调整所涉及的物理过程。尽管以前仅限于实验室环境，但是固态激光技术的发展已实现了稳健的操作和较低的引入成本，这两者都有助于其向更广泛的工业环境中传播。因此，超快激光烧蚀作为一种实际解决方案已受到越来越多的关注，因为它是支持现代制造业多样化需求所需的更快、更清洁和定制的制造方法。

尽管超快激光烧蚀的潜力无疑很高，但仍然有很多可供选择的参数来控制其工艺，例如波长、偏振和脉冲持续时间，也使优化它的工作复杂化。各种因素相互叠加，使反复试验方法难以设计和理解。此外，激光引起的击穿问题在物理学上本身是一个难题，并且仍在积极研究中，仍有新的现象被报道。这种情况在以下方面也很明显：描述看似基本的依存关系（例如理解烧蚀孔深度与入射激光注量的关系）仍然是一项艰巨的任务。

（左下）激光在材料上打孔。（左上方）测量激光的通量。（右下）叠加了通量和孔深的测量值。（右上）然后确定这些测量值之间的关系，以便可以仅基于注量来计算孔深度。

了解烧蚀形貌与入射脉冲的关系对于微加工至关重要，也是模拟的重要基准。然而，目前的形态分析依赖于对实验条件的大量简化，例如用单个注量值来减少独特的光束轮廓，或者用最大凹坑深度或直径来描述烧蚀形态。形态数据不仅在分类激光烧蚀结果方面具有定性重要性，而且在定量数据方面也很重要，在定量数据中可以轻松地将结果与数值模型的结果进行比较。但是，仍然存在大量可用的参数，这使得对形态学进行全面，标准化的研究变得很困难，其中可能的辐照方案的组合使大多数分析变得复杂。

可以说，能提高激光精度的一种重要方法是获得有关激光与材料相互作用的方式的反馈的更好方法。这将在生产激光器的切割和蚀刻动作中赋予更大的控制力和更少的不确定性。事实证明，到目前为止，这个问题难以解决。因此，来自东京大学的研究人员开发了一种形态学分析方法，这种新方法可以确定和预测激光脉冲产生的孔的深度，该方法基于单个观察结果而不是数十个或数百个观察结果。这一发现是提高激光加工可控性的重要一步。

图1：实验概述和设置。

▲图解：能量密度映射过程的概述，其中精确的光束轮廓和精确的陨石坑轮廓在空间上相关，此后，将局部高度重新绘制为局部能量密度的函数。b. 实验设置。光源要么是再生放大器的基本光，要么是它所泵浦的OPA。调整光的强度，然后在XYZ平台上使用集成CMOS摄像头将其聚焦到样品架上。通过横向移动支架，可以实现对焦点处的原位光束轮廓的测量或对样品的处理。

如实验装置图所示，研究人员使用蓝宝石作为基准材料，将蓝宝石板安装在与CMOS相机相邻的支架上。在每次消融之前，通过CMOS相机在空间上原位测量处理光束的光束轮廓。为了直接成像这样的小轮廓，需要一个典型的像素间距，该间距远小于光斑尺寸（通常为几十微米）。为此，研究人员使用了紧凑的板载型CMOS相机。当测试激光设备在蓝宝石上打孔时，照相机直接记录了激光脉冲的注量分布。然后，激光显微镜测量孔的形状。通过将这两个结果叠加起来并使用现代数值方法，该团队得出了一个庞大而可靠的数据集，该数据集可以准确地得出通量与孔深之间的关系。

这是一种提取经过充分研究的值和相关性（例如烧蚀阈值）的可靠方法，并且是探查过程空间独立性的一种方法。

图2：烧蚀的陨石坑和蓝宝石光束轮廓的相关过程。

▲图解：a. 数据对应于在30μJ时用单个1028 nm、190 fs脉冲进行的烧蚀。烧蚀后的火山口的光学显微镜图像。比例尺对应于10μm。b. 从激光扫描显微镜测量获得的烧蚀后的陨石坑的相应高度轮廓。c. 在焦点处原位测量的消融脉冲的光束轮廓。d. 空间叠加的样条曲线插值后的光束轮廓和高度，光束强度显示为等高线。光束强度的单位也被转换为能量密度。

图3：蓝宝石的注量图。

▲图解：数据来自图2的蓝宝石陨石坑轮廓（1028 nm，190 fs单脉冲烧蚀(30μJ)）和图2的光束轮廓。每个红点分别对应于陨石坑显微镜数据的高度数据点。装箱平均值以黑色显示。可以从该单一曲线图来解释特征形态特征，例如消融脉冲的峰通量（深红色，实心），阈值通量（橙色，虚线）和火山口深度（蓝色，实心）。

图4：从注量图揭示的特性。

▲图解：a. 在5种不同的脉冲能量下，通过1028nm，190fs的激光脉冲在蓝宝石表面烧蚀了陨石坑。比例尺对应于10μm。b. 火山口的对应注量图a。火山口形态发生突变时，可以辨认出两个阈值，用实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阈值上方（d）和下方（c）的两个凹坑的代表性空间线轮廓。标出局部能量密度高于b中突出显示的两个相应阈值的大致空间位置。

总之，研究人员展示了一种用于激光烧蚀研究中的形态数据分析的方法。这样的分析可以极大地提高消融定量测量关于射束轮廓偏差的鲁棒性，并且可以大大提高数据利用率。该方法的主要优点包括检查与脉冲能量变化有关的烧蚀过程的局部注量依赖性的能力，以及通过分析形态的精细趋势来区分各种阈值的能力。这项研究为未来的发展打开了前景。实际上，当前的方法对于定量比较不同激光系统之间的实验结果是重要的，其中光束轮廓的空间偏差可能起着不可忽略的作用。即使在相同的激光系统的情况下，由于参数的变化，例如OPA的波长，也可能出现很大的偏差。