时空分辨率突破：双模态显微镜助力激光制造精准调控

近期，深圳大学闵长俊教授团队提出了一种双模态超快显微镜系统，结合二维反射率成像和三维形貌成像技术，空间分辨率和时间分辨率分别达到 236 纳米和 256 飞秒，成功捕捉到硅表面激光诱导周期性表面结构的形成、增强和擦除过程，为理解激光与材料的相互作用提供了更全面的视角。

在这项研究中，研究人员利用双模态成像技术，通过光学探测提取了更多维度的信息，如相位、光谱等，从而将二维图像转化为三维变化视频，极大提高了信息利用率和提取程度。闵长俊对 DeepTech 表示：“这就好比从只能拍摄黑白照片提升到能够获取彩色照片的细节，实现了从二维到三维的跨越。”

日前，相关论文以《双模态时空成像技术揭示超快激光诱导周期性表面结构的超快动力学》（Dual-modal spatiotemporal imaging of ultrafast dynamics in laser-induced periodic surface structures）为题发表在 Light：Advanced Manufacturing[1]。深圳大学韦芊屹博士和倪洁蕾副研究员是共同第一作者，闵长俊教授、袁小聪教授和张聿全副教授担任通讯作者。

传统的时空成像技术依赖于反射成像，往往无法捕捉全面信息，导致这些相互作用的理论模型大多是定性的。为了解决该问题，研究团队将二维反射率和三维形貌成像相结合，开发了一种双模态超快显微镜系统。

研究中面临最大的技术挑战是同时兼顾时间和空间的分辨率。在空间分辨率方面，显微镜的衍射极限基本是半个波长。而在本次研究中，研究人员使用高数值孔径的物镜在空间上实现 236 纳米的分辨率，已逼近空间衍射极限。与此同时，还要保证在时间分辨率方面不损失太多。

闵长俊进一步说道：“有时候经过一些复杂的空间高精度路径后，会引入过多色散会让时间分辨率显著变差，比如飞秒的脉冲可能会变成皮秒的脉冲。所以我们在整个系统的设计方面，全面考虑了既要保持飞秒的脉冲，又要兼顾高的空间分辨率的问题。”

在泵浦探测成像时，通常是测量样品的反射率信息，一次拍照只能得到一张明暗的二维图片。值得关注的是，研究团队结合了泵浦探测技术和干涉成像，通过傅里叶变换提取了零级和一级频谱分量来重建图像。这样不仅可提取出相位信息，还能通过相位反解出高度和反射光的强度。

反射光的强度代表样品材料对光的吸收率等材料特性，而相位信息则代表表面三维形貌的特性。闵长俊表示：“这是一种非常合适的提取信息的方法，它们正好反映了材料样品的不同信息。我们在零级和正一级之间分开提取，保证了它们在时间和空间上完全同步，可以同时获得物理性质变化（反射率）和结构形貌变化（地形）两种瞬态信息，既解决了信息维度单一的问题，也满足了精确测量的需求，让定量研究超快动力学过程成为了可能。”

该技术的优点是可以快速进行原位操作：一边用脉冲光进行结构加工，同时另一边探测光可以快速成像和原位表征，并且不需要把样品拿出来再用扫描电镜扫描成像。

其具有普适性，在汽车、航空航天和生物医学等领域具有应用前景，可用于大部分的材料表面加工，例如原位的加工过程和加工工艺参数的优化。只要能够提取出反射光场和条纹干涉光场的情境都可以进行成像，比如硅、锗、碳化硅等半导体材料，以及常用的金属材料，甚至蓝宝石、聚合物等透明材料。

在科研领域，该技术可以用于研究高精度现象，特别是揭示超快现象的争议性问题。例如，在超快激光加工材料的过程中，目前国际上对其加工机理具有几种不同的解释，有些基于温度控制、有些基于流体，还有些基于表面等离子体。通过更多维度信息的观察，有助于推动微观的、快速的、超快的现象进行更深入的探索，并深入探索其机理。

闵长俊团队在前期工作中主要集中在显微成像和其他传感领域的光场调控。近年来，他们致力于时空光场调控的研究，包括时空光学漩涡以及特殊的时空全息光场调制。此外，他们还将这些超快时空全息光场应用于飞秒加工、超快时间成像以及相关检测领域。

目前，无论是材料加工、材料学研究，还是物理和化学现象的研究，都需要可同时拥有高时间分辨率和高空间分辨率的超快成像技术，包括 3D 打印、透明材料内部的波导加工等在内的应用。

研究团队致力于在观测维度上有所突破。现阶段其主要关注表面结构的浅表层三维形貌测量，他们正在向能够同时实现材料内部的三维空间分辨和时间分辨方向发展。此外，研究人员希望在观测信息上获取更多模态，以不断了解过程中发生的物理变化，同时还可通过光谱来判断是否有化学键、分子构型等化学方面的变化。

据了解，如果要将这项技术打造成工业加工检测仪器，还需要开发一些全自动的算法和智能软件，使其具备可视化、全自动的功能；并且，还需要用单脉冲单次测量技术来替代目前的泵浦探测方式。“我们希望用三至五年时间，将该技术推向工业化。”闵长俊表示。

参考资料：

1.Wei et al. Light：Advanced Manufacturing 6:30 (2025). https：//doi.org/10.37188/lam.2025.030

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