飞秒激光光场与微纳体系的极端相互作用在激光精密加工等领域中发挥着至关重要的作用。当前，激光精密加工能够实现微纳尺度的精细控制，加工过程涉及极为复杂的相互作用。入射到微纳结构上的强激光场诱发表面等离子体，入射光场与表面等离子体波之间发生耦合，在限域空间内产生局域场增强效应，进而诱导纳米材料自身以及吸附于表面的分子发生超快电离。表面分子的预先电离结合电子碰撞等行为可能诱发纳米体系的进一步电离，产生大量带电粒子，形成等离子体喷射。等离子体与光场持续耦合，进一步影响表面近场的分布以及体系的后续电离过程。这些微观动力学过程发生在纳米（10-9米）空间尺度以及阿秒（10-18秒）到皮秒（10-12秒）时间尺度，对相关极端物理过程的精密测量和调控，是超快激光精密加工的前沿科学基础。

为了揭示纳米体系与飞秒激光强场相互作用中的深层物理机制，吴健教授研究团队实现了一系列关键技术突破，设计建造了纳米体系超快动力学测控实验平台。孤立纳米颗粒可由空气动力学聚焦透镜输入到真空环境中，与波形精密控制的飞秒激光脉冲相互作用。聚焦的飞秒脉冲提供瞬时超高场强，将纳米体系中的原子分子电离解离，产生的带电粒子产物由速度成像谱仪实现单帧动量成像。由于每个纳米颗粒的特异性及其与不同空间位置不同强度的光场相互作用，单帧测量能够真实反应纳米体系的动力学过程。针对二氧化硅纳米粒子及其表面分子强场电离过程，研究团队揭示了不同光场条件下的反应机理。这项工作为进一步探索强激光场与纳米系统之间相互作用的微观物理机制铺平了道路。相关结果发表在Nanophotonics 10, 2651 (2021)。

图1  纳米等离子体冲击波