Femtosecond Engineering of PolyMethylPentene(PMP) Nonlinearity via NA, Spin/orbital angular momentum (OAM), and In-Situ SC Diagnostics
Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）；Chongqing University of Arts and Sciences（重庆文理学院）；University of Liverpool（利物浦大学）；John Moores University（约翰摩尔斯大学）；TPM3D Direct Manufacturing Co., Ltd.（TPM3D直接制造有限公司）
本研究明确OAM对PMP非线性特性的影响，揭示χ(3)张量分量的作用机制，实现OAM控制的亚微米手性结构制造，为光子器件确定性制造提供工程框架。
2026-08-11 physics.optics
Correlated emission of X-ray and sound from water film irradiated by femtosecond laser pulses
在飞秒激光（35 fs，800 nm，1 kHz）单脉冲和双脉冲强辐射下，利用盖革计数器和传声器同时测量了空气中薄水膜的硬X射线和可听声（10 Hz-20 kHz）。在单脉冲辐照下，通过改变水膜位置沿激光入射方向（Z轴）的变化，X射线和声波的发射轮廓显示出相同的峰值位置，但声波的发射（FWHM为403μm）比X射线（37μm）宽。在时间延迟为0 ps和4.6 ns的双脉冲照射条件下，清楚地观察到声信号强度与X射线强度增强相关联地增强。增强可以被分配到激光烧蚀动力学，如预等离子体的形成和瞬态表面粗糙度的形成诱导的预脉冲照射。对于具有时间延迟的双脉冲照射下的声信号，观察到对激光焦点处的预脉冲照射位置的弱依赖性。这与长击穿细丝的形成一致，这使得麦克风检测的位置不太敏感。
2019-02-13 physics.app-ph physics.optics
Statistical parameters of femtosecond laser pulse post-filament propagation on 65m air path with localized optical turbulence
高功率飞秒激光在空气中的非线性传输表现出脉冲自聚焦和强多光子介质电离，导致激光脉冲在空间碎裂成高度局域化的光通道，通常称为灯丝。灯丝的特点是高的光强度，减少（甚至为零）角扩展，可以包含激光等离子体或等离子体（postfilaments）。在传输路径上的光学湍流的存在显着地改变脉冲增强动力学，并在某些情况下，导致脉冲破碎增强和崩溃逮捕。据我们所知，我们第一次从实验和理论上研究了钛宝石飞秒激光辐射的横向分布，非线性传播65米的空气路径后，通过一个人工本地化的空气湍流后，到该地区的postfilament演变。我们发现，当湍流层被放置在湍流区之前，高强度的局部注量最大值（“热点”）的脉冲轮廓的平均数量以及它们的大小随着湍流强度的增加而增长，然后在一定程度上饱和。相反，湍流屏的沉积内的附着区域几乎没有影响的数量和平均直径的postfilaments。
2022-08-15 physics.optics
Acoustic diagnostics of femtosecond laser filamentation
本文通过宽带麦克风定量测量飞秒激光成丝的声发射，揭示声功率与激光能量的平方关系及声谱带宽与能量沉积的正相关性，为诊断光丝时空动力学和优化大气遥感应用提供依据。
2023-07-11 physics.optics
Filament propagation length of femtosecond pulses with different transverse modes
实验研究了高斯光束、拉盖尔-高斯光束和贝塞尔-高斯光束在水中的增强和传输。这些不同的横模入射激光脉冲从一个初始的高斯光束，通过使用计算机生成的全息技术创建。我们发现，在相同的峰值强度、脉冲宽度和光束中心尺寸的条件下，Bessel-Gaussian入射光诱导的丝状体长度比其他横模诱导的丝状体长度长。为了更好地理解贝塞尔-高斯光束的传输，我们进行了更详细的研究的灯丝长度作为径向模瓣的数量的函数。长度随波瓣数的增加而增加，这意味着径向模态波瓣作为中心强度峰形成的细丝的能量库。
2014-06-24 physics.optics
Energy scaling of water window high-order harmonic generation for single-shot soft X-ray spectroscopy and live-cell imaging
全相干软X射线阿秒脉冲目前可通过高次谐波产生（HHG）获得;然而，其不足的输出能量阻碍了各种应用，例如阿秒尺度软X射线非线性实验、软X射线自由电子激光的播种、阿秒泵浦阿秒探测光谱和单次激发成像。在本文中，对这些令人兴奋的研究的实施，我们展示了一个软X射线谐波光束，是两个以上的数量级强到水窗区域相比，以前的作品。这是通过将新开发的TW级中红外飞秒激光器和首次在中红外区域的HHG的松散聚焦几何结构相结合来实现的。由于采用中性介质靶的松散聚焦几何结构，我们实现了高转换效率、低光束发散度和显著降低的介质气压。作为我们的纳焦耳级水窗软X射线谐波源的第一个应用，我们展示了近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）实验与清晰的精细吸收光谱附近的K-和L-边缘观察到的各种样品。对高次谐波能量定标方法的系统研究为单次激发吸收光谱和飞秒时间分辨率的活细胞成像提供了可能。
2020-03-15 physics.optics
Isotope-Selective Strong Field Ionization of Semi-Heavy Water
本研究以半重水（HOD）为对象，利用双飞秒强红外激光脉冲实现沿OH键的选择性隧穿电离，通过三重电离后离子动量的三维时间分辨测量验证了该同位素选择性强场电离效应。
2024-08-17 physics.atom-ph physics.chem-ph physics.optics
Femtosecond-laser-induced nanoscale blisters in polyimide thin films through nonlinear absorption
飞秒激光脉冲的非线性吸收提供了一个独特的机会，将能量沉积在任何介质中的一个区域是低于脉冲的焦点直径。通过透明的高带隙材料（如玻璃）照射聚合物薄膜，然后在聚合物中非线性吸收800 nm的光，使我们能够进一步限制沿传播方向的非常薄的层的吸收。我们通过模拟飞秒激光诱导的聚合物改性的线性，双光子和三光子吸收，并讨论了控制聚合物中的能量吸收，多光子过程提供了这种限制。能量沉积在薄聚合物膜后面引起突出的水泡。我们目前的实验结果与脉冲能量的气泡直径和高度缩放。使用0.95 NA聚焦，我们获得了直径小至700 nm的激光诱导气泡，这表明基于气泡的激光诱导前向转移在单微米尺度上和以下是可能的。使用飞秒激光形成亚微米气泡也提供了一种新的方法，直接，精确的激光写入的微结构的薄膜上的单激光脉冲。该方法是光刻、激光铣削和基于激光的增材加工的可能替代方案，其保持表面成分不变。
2020-05-08 physics.app-ph physics.optics
Femtosecond optical breakdown in silicon
研究了脉宽为$τ\le $ 100 fs的近红外强激光脉冲辐照单晶硅的光化、能量沉积、等离子体形成和超快光学击穿。高强度击穿的发生是由体内部吸收的激光能量的突然增加建立的，其对应于阈值能量通量$Φ_{th} > $ 1 J/cm $^2$。光学击穿伴随着透射脉冲的严重光谱展宽。对于所研究的辐照条件，我们发现阈值通量随脉冲宽度的增加而线性增加，而相应的激光强度阈值则降低。研究了高等离子体密度对金刚石晶格稳定性的影响。在阈值能量密度附近，当约5%的价电子被提升到导带时，Si Si键软化，费米简并压力增大（压力可达100 kbar）。金刚石晶格的机械不稳定性表明，大量的电子-空穴对直接导致晶体结构的超快熔化。
2021-09-09 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spatially resolved pump-probe study of single-layer graphene produced by chemical vapor deposition
采用空间和时间分辨泵浦-探测光谱技术，通过测量差分透射和差分反射，研究了化学气相沉积（CVD）法生长的单层石墨烯的载流子动力学。通过研究由1500 nm泵浦脉冲和1761 nm探测脉冲激发的载流子的高斯空间分布的扩展，我们观察到每秒5500平方厘米的热载流子扩散。我们还观察到，载流子密度分布的扩展降低到1 ps内的缓慢速率，这是出乎意料的。此外，通过使用810 nm的探测脉冲，我们观察到差分透射和反射都改变了符号，而且这种符号变化可以通过将石墨烯暴露于相对高通量的飞秒激光脉冲而永久地去除。这表明，稍后的差分透射和反射可能不是由载流子直接引起的，而是来自样品制造或转移过程中的一些残留材料。
2012-04-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Light-induced temperature jump causes power-dependent ultrafast kinetics of electrons generated in multiphoton ionization of liquid water
当激发光的辐射强度大于0.3-0.5 TW/cm ^2（太瓦范围）时，液态水的多光子电离产生的电子的皮秒级成对复合动力学变得与功率有关。为了阐明这种功率依赖性的机制，tri- 400 nm的光子电离的水已经研究了使用泵浦-探测激光光谱的皮秒和飞秒的时间尺度上。我们认为，所观察到的动力学转变是由样品中的快速温度跳变引起的。当泵浦光沿光路的吸收变得非常不均匀时，这种跳跃是太瓦级多光子电离所固有的。水的加热是相当大的（几十摄氏度），因为电离的3-光子量子产率相对较低，约为100。0.42，并且大部分的激发能作为热释放到溶剂本体中。温度跳跃的证据是观察到（热化）电子吸收光谱的红移和近红外热化动力学的特征“平坦化”。太瓦级的温度跃变在分子液体的多光子电离中可能是普遍存在的。这些意见的影响，飞秒脉冲辐解水进行了讨论。
2004-05-04 physics.chem-ph physics.optics
Optical guiding in 50-meter-scale air waveguides
高峰值和平均功率激光束在大气中的远距离投射是一个长期的目标，具有广泛的应用范围。我们早期的原理验证实验[Phys.Rev.X4，011027（2014）]提出了一种解决该问题的方案，采用飞秒细丝在空气中的能量沉积来雕刻毫秒寿命的亚米长度空气波导。在这里，我们展示了50米尺度的空气波导，60倍长，使许多实际应用成为可能。我们采用了一种新的灯丝能量沉积方法：拉盖尔-高斯LG 01“甜甜圈”模式的多重叠加。我们首先研究了该方案的详细物理过程，该方案在较短的8米实验室内传播范围对应于约13个瑞利长度的引导脉冲。然后，我们使用这些结果来证明在实验室附近的走廊中超过~45 m的光导，对应于~70个瑞利长度。连续波探测光束注入到这些波导中展示了几十毫秒的非常长的寿命。
2022-08-08 physics.optics
High energy density plasma mediated by collisionless resonance absorption inside dielectrics
我们证明了第一次，我们的知识，产生超临界等离子体密度内透明固体在长距离使用飞秒激光脉冲。这为受限几何中的高能量密度物理学开辟了新的途径，例如热致密物质研究或新材料相的合成。我们表明，无论是与实验和第一原理模拟，飞秒锥形干涉通过贝塞尔光束创建一个致密的等离子体棒，通常为100 nm直径的蓝宝石。这种相互作用处于触发无碰撞共振吸收的理想条件下。这种机制在能量沉积过程中起主要作用，产生的等离子体具有MJ/cm 3量级的能量密度和仅使用台式飞秒激光器就可达到几cm的长度。
2022-01-26 physics.app-ph physics.optics physics.plasm-ph
Crater-shaped Enrichment of $\mathrm{V}_\mathrm{Si}$ Color Centers in $4H$-SiC using Single-Pulse Near-Infrared Femtosecond Laser Processing
本研究提出三维分子动力学模型，结合半椭球壳数学模型模拟飞秒激光与 $4H$-SiC 相互作用，揭示了激光加工后表面陨石坑形区域 $\mathrm{V}_\mathrm{Si}$ 色心富集的机制。
2024-07-28 physics.optics
Single-Shot Multi-Stage Damage and Ablation of Silicon by Femtosecond Mid-infrared Laser Pulses
尽管超快激光材料加工在过去二十年中以惊人的速度发展，但大多数应用都是利用近红外或可见光波长的激光脉冲开发的。中红外（MIR）飞秒激光源的最新进展可能会为材料加工创造新的能力。这是因为，在这种处理所需的高强度下，波长调谐到更长的波长打开了通向激光-固体相互作用的特殊机制的路径。在这些条件下，由于$λ^2$标度，激光驱动的电子的有质动力能量可以显著超过光子能量、带隙和电子亲合势，并且可以主导地驱动吸收，导致超快激光-固体相互作用的传统概念的范式转变。高强度超快MIR激光与固体的不可逆相互作用是这方面的主要兴趣，但迄今为止还没有系统的研究。为了解决这个根本的差距，我们进行了详细的实验研究的高强度超快修改硅单飞秒MIR脉冲（$λ$ = 2.7 - 4.2 $μ$ m）。超快熔化，与硅氧化物表面层的相互作用，和烧蚀的氧化物和晶体表面的非原位特征在于扫描电子，原子力，和透射电子显微镜结合聚焦离子束研磨，电子衍射，和$μ$ -拉曼光谱。激光诱导损伤和烧蚀（LIDA）阈值作为激光波长的函数进行测量。传统的理论模型不能再现损伤阈值的波长标度。为了解决分歧，我们讨论了可能的新途径的能量沉积驱动的有质动力能量和场效应特性的MIR波长制度。
2019-09-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Dual-wavelength femtosecond laser-induced low-fluence single-shot damage and ablation of silicon
本研究探究1030nm与515nm飞秒脉冲对硅的双波长烧蚀机制，发现低注量下短波长脉冲先作用、30-100ps长延迟时烧蚀效率更高，源于热液层膨胀降低表面反射率，为能量沉积调控提供支撑。
2024-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Time-Resolved Measurements of Cumulative Effects in Gas Dynamics Induced by High-Repetition-Rate Femtosecond Laser Filamentation
本文首次对 1 kHz 至 100 kHz 重复频率下飞秒激光成丝在空气中引起的累积流体动力学效应进行时间分辨测量，通过折射率和等离子体通道长度推断空气密度变化，发现高于 10 kHz 时出现稳态密度耗散。
2025-01-17 physics.app-ph physics.optics physics.plasm-ph
Strong Field Ionization of Water: Nuclear Dynamics Revealed by Varying the Pulse Duration
强激光场中的多原子分子可以在几十飞秒内发生实质性的核运动。因此，基于解离或库仑爆炸的离子成像方法难以忠实地记录引发解离过程的场电离的几何依赖性。在这里，我们比较了强场双电离和随后的离解水（H $_2$ O和D $_2$ O）在10 fs和40 fs的800 nm激光脉冲。我们发现，10-fs脉冲关闭之前发生实质性的核间运动，而快速的核间运动可以发生在双电离过程中的40-fs脉冲。短脉冲的测量结果与一个简单的隧道电离图是一致的，其预测有助于解释在长脉冲测量中观察到的运动。
2021-01-28 physics.atom-ph physics.chem-ph physics.optics
Single femtosecond laser pulse interaction with mica
与金属和半导体相比，超快、飞秒激光脉冲与电介质材料的相互作用表明，对于激光材料改性，例如激光烧蚀，电介质材料具有显著更高的激光通量阈值要求。玻璃的实例是晶体材料，例如石英和蓝宝石，以及非晶玻璃。已经发现，在具有可忽略的线性吸收的波长处的飞秒激光脉冲与电介质之间的相互作用很弱，因此通常使用多脉冲照射以观察显著且可量化的效果。在这项研究中，电介质是晶体，层状，天然矿物白云母，云母与分子式KAl_2（Si_3 Al）O_10（OH）_2。白云母，新的分裂，被用于广泛的技术和科学应用，包括作为绝缘材料的电子产品和作为一个超平和超净基板。发现单一的、~800 nm波长、~6微米光斑尺寸、~150 fs激光脉冲导致激光修改拓扑结构的系统范围，作为单一激光脉冲的能量密度的函数，包括材料的块体去除。飞秒激光脉冲/材料的相互作用是大于预期的标准电介质在给定的能量密度。光学表面轮廓和FESEM被用来表征拓扑结构。对比这两种技术的结果支持使用光学表面轮廓来表征材料改性，尽管与FESEM相比，其在横向分辨率上存在局限性。层间矿水含量的天然白云母提出的主要原因，云母行为不同的标准电介质时，用一个单一的800 nm飞秒激光脉冲照射。
2019-08-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Influence of non-collisional laser heating on the electron dynamics in dielectric materials
从理论上研究了飞秒强激光脉冲作用下电介质中的电子动力学。用动力学玻尔兹曼方程描述了激光驱动下导带中电子能量分布的时间演化。除了电子-声子-光子和电子-电子相互作用等能量传递的碰撞过程外，还包括导带中光子吸收的非碰撞过程。它依赖于通过多光子吸收在导带的子带之间的直接跃迁。这种机制被证明是显着有助于激光加热的传导电子足够大的激光强度。它也增加了电子分布达到费米-狄拉克统计描述的平衡态所需的时间。定量结果提供了由飞秒激光脉冲与800 nm的波长和几十TW/cm $^2$，低于烧蚀阈值的范围内的强度照射的石英。由这种非碰撞加热过程引起的能量沉积的变化预计将对电介质材料的激光加工产生重大影响。
2016-06-27 cond-mat.mes-hall physics.optics
Water Vapor: An Extraordinary Terahertz Wave Source under Optical Excitation
在现代太赫兹（THz）传感和成像光谱学中，由于在THz频率范围内的强吸收，水被认为是要避免的克星。在这里，我们报告的第一个实验演示和理论的影响，使用飞秒激光脉冲产生强烈的宽带太赫兹辐射的水蒸气。当我们将强激光脉冲聚焦在气室中的水蒸气或从气体喷嘴注入的水蒸气中时，观察到光激发水蒸气产生的非常强的THz场。水蒸气的THz产生效率比干燥的氮气高50%以上。以前曾假设，以这种方式的太赫兹波的非线性产生主要涉及自由电子等离子体，但我们表明，分子结构在这个过程中起着至关重要的作用。特别是，我们发现，从水蒸气产生的太赫兹波是显着强于从D2O蒸气。水簇离子的振动活动，自然发生在水蒸气中，可能有助于观察到的同位素效应，以及从占主导地位的单体的振转贡献。
2009-02-12 astro-ph.CO cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
Ultrafast energy-dispersive soft-x-ray diffraction in the water window with a laser-driven source
针对实验室高次谐波光源光子通量低、单色衍射方案受限的问题，提出覆盖200-600eV水窗的飞秒能量色散软X射线衍射方案，并通过Mo/Si超晶格实验验证了其探测超快结构动力学的能力。
2024-07-08 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
