近期，中国科学院上海光学精密机械研究所光电前沿交叉部王俊研究员团队在强激光防护机制研究方面取得新进展。相关研究成果以“Periodic explosive boiling and hopping vapor-bubble dynamics during nanosecond laser irradiation of a nanoparticle in water”为题，发表于Optical Materials Express。
纳秒脉冲激光照射水中的碳纳米颗粒时，会引发光、热、相变等多物理场耦合的瞬态过程。这一过程构成了相关光学材料的工作基础，而如何在实验和理论上同步捕捉其瞬态行为及光学响应，一直是该领域的难题。
研究团队以4纳秒短脉冲激光照射碳纳米颗粒水悬浮液，实时测量了透射率的变化，并建立了相应的热力学模型，以揭示这类碳基光学材料在纳秒激光作用下的物理响应机制。模型与实验结果共同指向了一种此前未被描述的动力学行为，即当碳纳米颗粒被纳秒激光加热时，其周围形成的蒸汽包层并非连续平滑地膨胀，而是经历一系列离散的、爆炸式的跳跃扩展，研究团队将其命名为“跳跃气泡动力学”。进一步的模型分析给出了这一现象的物理条件，当纳米颗粒周围过热水的温度达到约588开尔文（315摄氏度）时，液相发生爆炸性沸腾，蒸汽壳随之急剧膨胀，只要颗粒温度仍维持在该阈值以上，这种跳跃就会循环重复。
这种跳跃机制从物理上解释了碳纳米颗粒悬浮液为何能高效限制高功率激光辐射。每次跳跃都伴随蒸汽壳尺寸的突变，散射截面随之阶跃式增强，透射光因此被大幅衰减。这一物理特性正是光学限幅器保护敏感探测器、夜视仪和人眼免受强激光损伤的关键所在。此外，该模型还预测，每次沸腾跳跃都会在介质中激发千兆赫兹范围的声波，也就是超音波。这种在皮秒时间尺度上产生超声的机制，有望在生物物理学和材料科学等领域找到新的应用。
图1 实验装置与模型。一束激光脉冲加热水中的碳纳米颗粒。其周围形成蒸汽壳，该蒸汽壳并非平滑膨胀，而是以爆发式（"跳跃气泡"）的方式扩展。每次爆发都是一次过热水的微爆炸，在单个激光脉冲期间重复多次。这一机制解释了激光辐射屏蔽达到破纪录效果的原因。图中时间间隔表征了各个连续过程经计算得出的持续时间。
图2 实验测得的透射率曲线（黑线）被我们的模型（蓝线）精确复现。短峰对应于薄蒸汽壳的出现，而急剧下降则对应于一系列爆炸式跳跃（"跳跃气泡"）的开始，这会急剧增强光散射。其结果是，悬浮液开始有效限制高功率激光脉冲（虚线）。
这项工作得到了中国科学院先导项目、国家自然科学基金和上海市自然科学基金的支持。
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