环形光束调控液相脉冲激光烧蚀纳米颗粒尺寸的创新研究

本研究针对液相脉冲激光烧蚀(PLAL)合成纳米颗粒时尺寸分布不均的问题，提出采用环形光束(donut-shaped beam)替代传统高斯光束(Gaussian beam)。研究人员通过金(Au)、氧化钇(Y2O3)和高熵合金靶材实验，证实环形光束可显著减小粒径、缩窄分布宽度并提升球形度。时间分辨阴影成像揭示了环形光束产生的环形空化气泡结构，为纳米颗粒可控合成提供了新思路。该成果发表于《Beilstein Journal of Nanotechnology》，为精准纳米制造开辟了新途径。

　　

在纳米科技领域，精准控制纳米颗粒尺寸一直是制约其应用的瓶颈问题。传统液相脉冲激光烧蚀(PLAL)技术虽能合成多种纳米材料，但高斯光束(Gaussian beam)产生的热力学效应往往导致颗粒尺寸分布过宽、形貌不规则。这种不均匀性会直接影响纳米颗粒在生物医学、催化和光学等领域的性能表现，就像一群身高悬殊的篮球队员难以完成协调配合。

为解决这一难题，研究人员创新性地采用环形光束(donut-shaped beam)替代传统高斯光束开展研究。通过对比金、氧化钇(Y₂O₃)和高熵合金三种靶材在两种光束下的烧蚀效果，发现环形光束能产生尺寸更小、分布更集中且球形度更高的纳米颗粒。这相当于用特制模具取代自由塑形，使纳米颗粒的"生长"过程变得可控。

研究团队运用时间分辨阴影成像技术捕捉到关键动态过程：高斯光束产生准半球形空化气泡，而环形光束则形成独特的环形气泡结构。这种差异源于环形光束能量分布的"空心"特性，其产生的环形冲击波能更均匀地作用于烧蚀产物，如同用环形擀面杖替代传统擀面杖，使"纳米面团"延展更均匀。

主要技术方法
研究采用纳秒脉冲激光系统，分别输出高斯光束和相位调制生成的环形光束。通过激光能量计校准两种光束的等效能量密度。选用高纯度金靶、氧化钇陶瓷靶及高熵合金靶进行水下烧蚀实验。采用动态光散射(DLS)分析纳米颗粒尺寸分布，透射电镜(TEM)表征形貌特征。搭建时间分辨阴影成像系统观测空化气泡动力学，延迟时间分辨率达纳秒级。

实验结果

1. 纳米颗粒尺寸分析：环形光束使金纳米颗粒平均直径减小42%，尺寸分布半峰宽降低58%。高熵合金颗粒球形度提升显著，椭圆率降低至1.2以下。
2. 空化气泡动力学：阴影成像显示高斯光束产生直径约1.5mm的半球形气泡，而环形光束形成外径2mm、内径0.8mm的环形气泡，持续时间延长35%。
3. 材料普适性验证：三种靶材均呈现相似的尺寸调控规律，证实该方法不依赖于特定材料体系。

结论与意义
该研究首次系统论证了光束空间分布对PLAL合成纳米颗粒的调控作用。环形光束通过改变空化气泡动力学行为，实现了对纳米颗粒尺寸、分布和形貌的协同控制。这种"光场整形"策略避免了传统化学添加法的污染风险，为绿色纳米制造提供了新范式。未来结合更高时空分辨的观测技术，有望建立光束参数-气泡动力学-颗粒特性的定量关系模型。

发表于《Beilstein Journal of Nanotechnology》的这项研究，其价值不仅在于具体工艺优化，更开创了通过调控激光与物质相互作用本征过程来实现纳米精准制造的新研究方向。就像发现透镜能聚焦光线一样，这项关于光束空间分布影响的发现，可能引发纳米合成技术的新一轮革新。