2026年6月26日，中国工程院旗下工程领域知名期刊《ENGINEERING Mechanical Engineering》刊发了精密仪器研究中心团队在飞秒光声微纳测量方向的最新成果，题为“Mechanism and Threshold Modeling of Femtosecond Laser-Induced Damage in Metal Nanofilms for Photoacoustic Characterization（金属纳米薄膜激光损伤机制分析与阈值预测方法）”。王中昱博士为论文第一作者，汤自荣教授、刘世元教授为通讯作者。

在飞秒光声泵浦测量过程中，为防止激光辐照引发样本损伤，通常选用低能量激光作为激发光源。虽然这一策略有效保护了样本材料，但也显著降低了所激发光声信号的强度，限制了测量系统的性能表现。因此，如何在提升信号强度的同时准确预测材料的激光损伤阈值，成为实现高性能无损测量的关键挑战。然而，目前关于金属材料激光辐照下的激光损伤阈值研究，多聚焦于高能激光加工场景，而对低能量光声测量过程中的损伤阈值认识不足，尤其是高重复率脉冲引发的热积累效应尚缺乏系统建模，现有研究大多依赖实验拟合的半经验模型。

针对上述问题，研究团队围绕金属纳米薄膜在飞秒光声测量中潜在的激光损伤问题开展研究，旨在深入分析测量过程中薄膜材料的典型失效机制，并建立适用于光声测量场景的激光损伤阈值预测方法。首先，从高温损伤与应力失效两种机制出发，分别构建单脉冲条件下的高温损伤阈值预测模型与应力失效阈值预测模型。其次，采用曲线拟合方法研究高频多脉冲作用下的热积累效应，并构建热积累损伤阈值预测模型。最后，以AlCu薄膜（铝含量95%，铜含量5%）和Cu薄膜为对象，系统分析厚度对损伤过程的影响规律，预测不同厚度下的薄膜激光损伤阈值，并与现有文献中的实验数据进行初步对比验证。

图1 飞秒光声测量原理示意图

针对单脉冲激光作用下的金属薄膜高温损伤机制与应力失效机制，分别基于光-热激发理论模型与热-声传播理论模型构建了对应的损伤阈值预测方法，明确了单脉冲激光辐照所导致的失效行为的激发条件。

针对高频多脉冲条件下金属薄膜的热积累损伤机制，结合多物理场模型与曲线拟合方法建立了热积累损伤阈值预测模型，实现了热积累效应的快速描述与所需计算资源的优化，同时实现了对热积累损伤阈值的定量预测。

图2 基于曲线拟合的表面热积累效应预测方法示意图

以Cu和AlCu（铝含量95%，铜含量5%）纳米薄膜为研究对象，系统分析了薄膜厚度对材料熔点、费米温度、烧蚀阈值、屈服强度及光声测量物理过程的影响，并结合构建的损伤阈值预测模型，对厚度范围为200~1000 nm的激光损伤阈值及损伤机制进行了预测与分析，预测结果与现有文献数据在数值量级及变化趋势上具有较好的一致性，初步验证了该方法的合理性与适用性。

论文信息：

Z. Wang, J. Min, J. Hu, X. Chen, Z. Tang, and S. Liu, "Mechanism and threshold modeling of femtosecond laser-induced damage in metal nanofilms for photoacoustic characterization," ENG. Mech. Eng. 21, 100893 (2026).