2024年12月11日，Elsevier旗下光声学TOP期刊《Photoacoustics》刊发精密仪器研究中心团队在薄膜光声测量领域最新研究成果，题为“Temperature dependence of femtosecond photoacoustic process inhigh-precision characterization for metal nanofilms”（飞秒光声过程在金属纳米薄膜高精度表征中的温度依赖性）。博士生王中煜为论文第一作者，刘世元教授和汤自荣教授为论文通讯作者，博士生闵菁、硕士生孙勇和王雪松以及陈修国教授为论文共同作者。

飞秒光声测量金属纳米薄膜过程是动态的。超快激光照射引起的非均匀分布且快速变化的温度场，以及其在材料中的扩散过程，会持续影响纳米薄膜的热物理和光学特性。这些动态行为会反作用于光声测试过程，特别是超快激光与物质的相互作用以及声光测量。因此，对于金属纳米薄膜的温度依赖性热物理和光学特性，准确的预测方法十分重要。此外，包含动态过程的综合测量模型对于预测不同光照条件和金属类型下的实验结果同样重要。在测量复杂的纳米结构时，精确的模型可以最大限度地减少数据收集所需的资源，提高深度学习识别方法的有效性。

超快激光-物质相互作用中的热物理特性研究尽管已取得显著进展，但关于超快激光照射下温度依赖的动态过程的研究主要集中在高强度光源的超快激光加工上。仅有少数几种金属材料建立了相应的临界点模型，并且关于将热传导模型引入以低强度激光为光源的光声无损测量的研究还较为缺乏。大多数研究仅聚焦超快激光与物质相互作用过程中的动态过程，缺少考虑声波的传播和检测以及温度依赖特性在测量过程中的影响，从而导致测量模型不够准确，限制了光声方法的广泛应用。

图1 飞秒光声泵浦探测测量原理

为了克服上述局限性，研究团队开发了测量动态模型，该模型能够全面描述金属纳米薄膜在飞秒光声测量过程中的动态行为。针对铜纳米薄膜测量，引入了包含三个洛伦兹项的复杂极化模型（Complex Polarization Model，CPM）；针对铝铜薄膜测量，引入了另一包含四个洛伦兹项的CPM。将模拟数值与实验数据比较，结果表明两模型适用激光波长范围在500~1500nm。接着，将两模型整合到一个测量模型中，该模型包括用于描述超快激光-物质相互作用的传输透射矩阵（Transmission-Transmission Matrix，TTM）以及用于泵浦-探测检测的声光过程。通过数值模拟分析整个测量过程，重点关注纳米薄膜的温度、应力和表面反射率分布。与实验信号相比，动态模型的数值结果在各种激光参数和纳米薄膜材料方面准确性均有提升。这标志着光声测量模型准确性的重大飞跃，为金属纳米薄膜的更可靠诊断铺平了道路。

论文信息：

Z. Wang, J. Min, Y. Sun, X. Wang, X. Chen, Z. Tang, and S. Liu, "Temperature dependence of femtosecond photoacoustic process in high-precision characterization for metal nanofilms," Photoacoustics 41, 100678 (2025).