纳秒-飞秒激光复合制备TC4合金高抗反射表面

单一使用皮秒或者飞秒激光器制备抗反射表面已经可以取得很好的结果,但是其加工效率不满足工业生产的需要。提出利用纳秒-飞秒激光复合制备金属高抗反射表面的方法和思路。使用纳秒、飞秒两种激光器对TC4钛合金表面进行刻蚀处理,在金属表面引入微纳米结构,使其在电磁波波长200~2500 nm间的反射率降低至2%以内并分析作用机理。首先利用纳秒激光在TC4钛合金表面刻蚀槽状结构,该结构在波长200~2500 nm的最佳平均反射率为5.76%,飞秒激光扫描后,平均反射率降低至3.5%。然后,构造复合结构在槽状结构基础上进一步优化金属表面的抗反射性能,在波长200~2500 nm的最佳平均反射率为1.87%。最后,制备复合结构,制备中其表面形貌呈现出对齐状和蜂窝状两种微孔排列方式。设计并验证控制激光脉冲起始位置方法,可制备出稳定蜂窝状结构,蜂窝状孔排列的复合结构在波长200~2500 nm的最佳平均反射率可降低至1.63%。单位面积内蜂窝状复合结构的有效表面占比更大;同时可以附着更多的纳米颗粒,由于纳米粒子的激元共振效应,加之纳米颗粒团尺寸不同,其吸收峰从单一频率拓宽至一个频率带,金属表面的光吸收性能提升。复合制备的抗反射表面性能达到甚至超越单一使用飞秒或皮秒激光器制备的金属抗反射表面,并且不改变金属本身的性质,对其他对金属表面降低反射率有借鉴作用。

超快激光制备金属抗反射表面的研究进展

金属材料抗反射表面在太阳能电池、光电子产品和军事隐身等领域具有广泛应用,制备微结构的金属抗反射表面具有极大地挑战性,通常这种结构是通过相当复杂和耗时的技术制备。超快激光微加工技术刻蚀的微纳抗反射结构具有可控、稳定、环保且单步制备等特点,已成为近年来的研究热点。梳理抗反射表面的理论模型及影响因素,概述国内外超快激光刻蚀抗反射表面的结构类型,提出未来超快激光制备金属微纳结构可能在太阳能电池的开发和利用、军事隐身及环保产品的应用等领域得到应用。最后,总结超快激光刻蚀制备抗反射微纳结构表面存在的问题,并对超快激光加工微纳结构抗反射多功能表面的应用前景进行展望。结果表明:超快激光在金属表面织构能够制备纳米、微米和微纳混合多种类型的微纳结构,实现了金属表面多种波段的超宽波谱的低反射率。随着波长的增加,具有微纳米结构的金属表面的反射率比具有相对光滑结构的金属表面的反射率增加得更慢。对超快激光制备金属抗反射表面在各领域的应用研究有一定的理论依据与参考意义。

亚波长结构抗反射表面的设计方法

对亚波长结构抗反射表面的设计原理和设计方法进行了较详细的论述 .基于等效媒质近似理论 ,给出了一维光栅结构的等效折射率 .描述了二维对称结构的一维近似分析方法及其等效折射率估算方法 .为得到大的特征尺寸 。

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。

超快激光制备金属表面可控微纳二级结构及其功能化

自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1~100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。