飞秒激光制备耐久型超疏水表面及其应用的研究进展（特邀）

仿生超疏水表面在油水分离、防结冰、自清洁等方面具有广阔的应用前景。但是由于其表面结构的脆弱所造成的不稳定性,使其在应用时受到较大限制。飞秒激光作为一种通用的微纳加工方法,在超疏水表面的制备中有许多明显的优势,并且适用于几乎任何硬质材料的加工。本文从浸润性的基本模型出发,分析了耐久型超疏水表面的特点,针对耐久型超疏水表面的飞秒激光制备方法以及应用进行了概述,从聚合物、玻璃以及金属等物质的超疏水表面的飞秒激光制备进行了归纳。对超疏水表面在油水分离、防结冰、自清洁等方面的应用研究进行了综述。最后总结了利用飞秒激光制备耐久型超疏水表面所面临的挑战。     

飞秒激光脉冲能量累积优化对黑硅表面形貌的影响

在黑硅表面制备的微结构可以使其获得多种表面功能,这些功能在太阳能、探测器等领域具有广泛的应用.因此,黑硅微结构的形成机理及制备条件优化一直是研究关注的焦点.本文的研究发现,随着激光辐照量(提高单脉冲能量或增加积累脉冲数)的增加会遇到形貌尺寸生长的瓶颈效应:过多的能量累积对微结构的优化和控制并没有进一步的作用.理论计算结果表明,产生这一现象的原因是前序飞秒激光脉冲诱导产生的微结构形貌对当前激光脉冲能量的吸收产生了调制,使当前激光脉冲的有效烧蚀效率降低.根据这一飞秒激光烧蚀规律,提出了一种优化表面形貌的新方案——在辐照激光总能量一定的条件下,通过改变激光能量的分配方式(单脉冲能量与脉冲数的组合)可实现表面形貌的优化.这一新的工作方式不但可以提高黑硅的制备效率,而且还有助于减少飞秒加工过程带来的表面缺陷及损伤,并降低加工过程中的能源消耗.这一研究成果对黑硅性能的进一步提升及其工程应用具有重要的意义.     

飞秒激光辐射诱导金属表面微纳结构研究

通过1 kHz的飞秒脉冲(脉宽130 fs,中心波长800 nm)对厚度为60 μm的不锈钢65Mn表面进行飞秒微加工,通过拟合得到65Mn的消融阈值为0.5 J·cm-2。研究了飞秒激光作用下表面形成的多种微结构,其中包括纳米孔及纳米柱状物。同时讨论了激光能量和作用脉冲个数对微结构形成的影响。随着周期波纹结构的形成,发现在各种能量和脉冲个数条件下,周期结构的周期约为入射脉冲的波长。相同的激光功率下,在不同加工速度和加工次数下对不锈钢进行表面微加工,得到了规则的圆孔阵列结构。     

飞秒激光辅助刻蚀制备蓝宝石光栅(特邀)

利用飞秒激光辅助刻蚀技术,在蓝宝石表面实现了周期、占空比及高度可调的光栅结构。解决了飞秒激光加工硬脆材料时表面质量较差、碎屑堆积导致的加工精度降低和难以制备深结构的问题。蓝宝石光栅结构的粗糙度从78 nm(激光直写后)降低到了7 nm(干法刻蚀后),实现了周期为800 nm光栅,以及深宽比为4的蓝宝石微结构的制备。飞秒激光辅助刻蚀技术能够制备蓝宝石表面高平滑光栅,并对光栅各级次衍射效率进行提升。     

飞秒激光烧蚀氟化钙晶体表面特性

采用飞秒激光对氟化钙晶体表面进行加工。通过调控激光参数,采用静止聚焦和动态扫描两种方式在晶体表面加工出一系列微结构(烧蚀孔和烧蚀线)。分别对两种加工方式烧蚀后的氟化钙晶体表面微结构进行系统研究,包括参数依赖关系、材料表面烧蚀阈值等。计算结果表明:在静止聚焦情况下,累积因子为0.0033;在动态扫描情况下,当扫描方向与激光偏振方向垂直或平行时,累积因子分别为0.0043和0.0052。飞秒激光加工过程中的脉冲累积效应能够对晶体的烧蚀产生重要影响。     

纳秒激光脉冲诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒激光脉冲,在能量密度为1～10 J/cm2范围内辐照单晶硅,形成了表面锥形微结构,在SF6气氛和空气环境下均形成了锥形尖峰表面微结构。SF6气氛下产生的锥形尖峰顶端都有小球,部分锥形上还有二次尖峰形成,空气中纳秒激光诱导的锥形尖峰微结构顶端和边缘有由液滴固化形成的粒状物质,不同于利用准分子纳秒激光诱导的细长须状结构和飞秒激光辐照下产生的具有表面枝蔓状纳米结构的锥形微结构。实验结果表明,这种尖峰微结构的形成与辐照激光的波长和脉冲持续时间有关。对空气中微构造硅的辐射反射的初步研究表明,在500～2 400 nm范围内的光辐射反射率不高于20%。     

飞秒激光制备超疏水表面的研究进展

超疏水表面由于具有广阔的应用前景而引起了研究者的关注。与传统的微纳加工方法相比,飞秒激光技术具有加工材料广、加工精度高和可控性强等优势,目前已成为制备超疏水表面的一种有效途径。本文介绍了飞秒激光微纳加工的特点以及润湿性的理论基础,总结了近些年来采用飞秒激光技术在不同材料表面构筑超疏水表面的研究进展,并对其应用进行了介绍,最后探讨了目前该领域存在的问题及未来的发展方向。     

不同气氛下飞秒激光诱导硅表面微结构

利用钛宝石飞秒激光脉冲对单晶硅在SF6、空气和真空环境中进行了累积脉冲辐照,研究了硅表面微结构的演化。在SF6气氛中,在激光辐照的初始阶段,硅表面形成了1维的波纹结构,随着辐照脉冲数的增加,波纹结构演化成了2维凹凸结构。累积600个脉冲后,硅表面产生了准规则排列且具有大纵横比的锥形尖峰结构。该结构呈现高度相对较低、锥形尖端小球不明显的特征,分析认为主要与环境气压的大小有关。对比空气、SF6和真空中的微结构发现,尖峰的数密度依次减小;SF6中形成的尖峰高度最大,其次为真空,再次为空气。研究结果表明,真空、SF6和空气3种环境下微结构的形成及表面形貌主要由激光烧蚀、化学刻蚀和氧化决定。     

超快激光对涂有量子点玻璃表面的微构造

基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明,出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。     

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。     

激光烧蚀硅基表面抗反射微结构的声信号监测

为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期,提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0～30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性,具体分析了激光功率及加工次数对微结构深度及声信号各频率幅值变化的影响。以声信号作为输入,基于人工神经网络对加工质量进行预测。实验结果表明：通过监测激光加工时产生的声信号能够明确反映被烧蚀硅表面是否形成周期性微结构,且微结构宽度不同,其对应的声信号频率组成也不同。在微结构宽度固定的情况下,归一化后的声信号特征参数随微结构深度线性变化,且受到激光功率变化的影响忽略不计。以硅基表面5%的反射率作为加工质量分界线,采用人工神经网络对加工质量的预测结果与实际测量结果的准确率可以超过90%。结果表明：声波在线监测可以有效应用于评估表面加工质量,为抗反射硅表面制备过程的实时监测提供了理论依据。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生微纳结构过程中激光脉冲数目的影响

为了研究飞秒激光脉冲数目与硅表面形貌之间的关系,在相同的SF6气体氛围下,改变照射硅表面的飞秒激光脉冲数,发现在飞秒激光照射下由硅表面形成的微型锥状尖峰的高度与飞秒激光脉冲数呈现一种非线性关系.通过对该关系的研究有利于找出在制造具有较高吸收效率的高微型锥状尖峰的"黑硅"的实验条件,有利于基于"黑硅"材料的光电器件转化效...     

采用飞秒激光诱导制备彩色金属

采用脉宽为35～65 fs,中心波长为800 nm的飞秒脉冲激光对经抛光的镍片进行表面扫描处理,并在金属表面上制备了彩色镍图案;设置不同的激光扫描速度和能量密度扫描处理不锈钢表面,亦制备了彩色图案。介绍了实验过程,分析了实验结果,扫描电子显微镜(SEM)形貌分析显示,经过飞秒激光扫描处理的金属表面出现了纳米量级的激光诱导周期表面结构(NC-LIPSS),在镍上形成的结构周期约为480～510 nm,在不锈钢上形成的结构周期约为480～540 nm。     

飞秒纳秒脉冲激光微构造和掺杂单晶硅（英文）

在SF6气氛下,分别利用钛宝石飞秒脉冲激光与掺钕钇铝石榴石纳秒脉冲激光对单晶硅表面进行了微构造和重掺杂,以用于光伏材料。对制备的单晶硅表面微结构的形貌、结晶性和硫元素杂质含量与分布进行了研究。实验结果表明纳秒脉冲激光制备的单晶硅表面微结构的薄层电阻较小,缺陷密度较低(结晶性高),硫元素杂质含量较高且在表面分布的范围较广,深度较大(约1μm)。此外,材料的可见-近红外波段吸收率可接近80%。基于纳秒脉冲激光微构造的单晶硅的优异性能,在样品表面制备了有效光照面积达8cm2的太阳能电池。其中,最佳太阳能电池的串联电阻、开路电压、短路电流密度分别为0.5Ω,503mV,35mA/cm2,转换效率约12%。上述太阳能电池性能还可通过优化制备工艺进一步提高。     

飞秒激光相干场诱导材料功能微结构

飞秒激光在整个脉冲宽度内具有极好的相干性，因而当从同一光束分出的两束或两束以上的光束时间与空间上实现相互叠加时将会形成强度周期性调制的电磁场．这种周期调制的电磁场与材料产生相互作用，能诱导出相应的周期微结构．最近通过两束或两束以上飞秒激光干涉诱导功能微结构得到了广泛研究．文章综合了国内外飞秒激光研究小组在干涉诱导微结构方面的一些最新成果以及作者在这方面开展的工作，对飞秒激光干涉技术的原理及其在诱导微结构方面的应用进行了介绍．     

聚合物真空绝缘子表面二级微结构

为研究绝缘子表面二级微结构的耐压提升机制,将表面二级微结构拆分为两种子结构,也即是表面微孔结构与表面微槽结构,并通过复合材料制备、激光处理、酸液选择性腐蚀等方式制备出表面二级微结构与相应的两种子结构。对三种结构分别进行沿面耐压性能测试,结果表明表面微孔与表面微槽均能有效地提升绝缘子的真空沿面耐压性能,而二者组合形成的表面二级微结构能够进一步提升绝缘子的真空沿面耐压性能。该结果表明通过将表面结构进行合理的组合能够实现对绝缘子表面闪络发展的多重、协同抑制,进一步提升绝缘子的真空沿面耐压水平。     

飞秒纳秒脉冲激光微构造和掺杂单晶硅

在SF6气氛下，分别利用钛宝石飞秒脉冲激光与掺钕钇铝石榴石纳秒脉冲激光对单晶硅表面进行了微构造和重掺杂，以用于光伏材料。对制备的单晶硅表面微结构的形貌、结晶性和硫元素杂质含量与分布进行了研究。实验结果表明纳秒脉冲激光制备的单晶硅表面微结构的薄层电阻较小，缺陷密度较低（结晶性高），硫元素杂质含量较高且在表面分布的范围较广，深度较大（约1 m）。此外，材料的可见-近红外波段吸收率可接近80%。基于纳秒脉冲激光微构造的单晶硅的优异性能，在样品表面制备了有效光照面积达8 cm2的太阳能电池。其中，最佳太阳能电池的串联电阻、开路电压、短路电流密度分别为0.5 , 503 mV, 35 mA/cm2，转换效率约12%。上述太阳能电池性能还可通过优化制备工艺进一步提高。     

贴膜条件下飞秒激光诱导硅基表面锥状微结构

利用波长为800 nm的飞秒脉冲激光,对表面贴有聚对苯二甲酸乙二醇酯透明膜的单晶硅片进行扫描,研究了不同激光制备参数对微结构形成的影响.结果表明,锥状微结构是否形成取决于激光能量密度,能量密度太小时不能形成锥状结构,能量密度太大时易破坏锥状突起;而激光扫描速度可直接影响锥状微结构的质量,扫描速度太小时也易破坏锥状结构突起,扫描速度太大时,由于作用深度太浅使得锥状结构轮廓不分明.在此基础上对实验参数进行优化,得到了较理想的锥状微结构.最后通过分析指出,贴膜条件下锥状微结构的形成是由激光烧蚀作用和氧化作用共同引起的,且激光烧蚀作用占主导.     

飞秒激光诱导微结构中飞秒时间分辨等离子体的时空动力学过程(特邀)

利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术研究了不同数值孔径显微物镜聚焦的单脉冲飞秒激光诱导熔融石英微结构中等离子体的瞬态时间-空间演化特性及瞬态电子密度空间分布与激光诱导微结构的联系。实验结果表明显微物镜聚焦的飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度随延时的增加先增大后逐渐减小。当显微物镜的数值孔径为0.45时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加变化不大,基本都在非线性焦点处,激光在样品中诱导的微结构是点状的;当显微物镜的数值孔径为0.3时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加逐渐向样品内部移动,激光诱导的微结构是长条状的。此外,不同数值孔径显微物镜聚焦飞秒激光在样品中诱导最大瞬态电子密度的空间位置与激光诱导微结构的位置一致,这说明飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像可用于超快激光微加工过程的在线检测,可为超快激光诱导材料微结构的定向调控及加工参数优化提供参考。     

飞秒激光在6H SiC晶体表面制备纳米微结构

激光诱导周期性纳米微结构在多种材料包括电介质、半导体、金属和聚合物中观察到。研究了800nm和400nm飞秒激光垂直聚焦于6H SiC晶体表面制备纳米微结构。实验观察到800nm和400nm线偏光照射样品表面分别得到周期为150nm和80nm的干涉条纹,800nm圆偏振激光单独照射样品表面得到粒径约100nm的纳米颗粒。偏振相互垂直的800nm和400nm激光同时照射晶体得到粒径约100nm的纳米颗粒阵列,该纳米阵列的方向随400nm激光强度增加而向400nm偏振方向偏转。利用二次谐波的观点对以上纳米结构的形成给出了解释。