金属微结构表面增强激光诱导击穿光谱的强度与稳定性

在金属铝表面用飞秒激光分别刻蚀了四种形状的微结构,对比分析了周期不同的矩形、圆形、三角形和六边形微结构对沉积在其表面Cr元素水溶液的表面增强激光诱导击穿光谱(LIBS)光谱强度和稳定性的影响。研究结果表明微结构的周期越小,光谱增强效果越显著,其中矩形微结构在相同周期下表现出最优光谱增强效果,相比于未处理的金属铝,其光谱强度增强了4倍左右。此外,六边形微结构的光谱稳定性最佳,具有良好的可重复性。研究结果为今后采用表面增强LIBS法检测水溶液中的重金属元素提供了一种可行的基底制备方法。

激光诱导表面周期性结构对铜薄膜红外发射特性的改变

金属铜在中红外波段的发射率极低,所以铜薄膜是一种性能优异且对抗被动式中红外热探测器隐身的材料,而在铜薄膜表面使用激光诱导表面周期性结构(LIPSS)可以显著提高其在中红外波段的发射率。首先使用双温方程模型模拟LIPSS形成过程中材料软化的过程,然后使用波长为1064nm的偏振脉冲激光在融石英基底上的铜薄膜表面诱导产生周期为波长量级的LIPSS,最后基于实验产生的铜薄膜LIPSS搭建仿真模型并对其在近红外和中红外波段的发射率进行分析。模拟结果表明,铜薄膜LIPSS的产生可以显著提高其在中红外波段的发射率,该方法可以实现铜薄膜对被动式中红外热探测器的隐身。

激光诱导表面周期性结构的研究进展

激光诱导表面周期性结构(LIPSS)是固体材料的一种普遍特性。材料表面的LIPSS可以改变材料的性质,利用这些特性可以实现许多特殊功能。本文总结近年来关于LIPSS的代表性文章,首先以激光作用下表面能量排布和物质流动方式作为切入点,从理论上解释LIPSS的形成原理;然后阐述薄膜表面与刻蚀材料表面上形成LIPSS的研究工作,以及激光参数对形成LIPSS的影响;最后介绍LIPSS在现代工业中,如制备特殊晶体、超亲水/疏水材料和医学材料等方面的应用情况。本文从以上三个方面对近年来LIPSS相关领域的研究进行了梳理和归纳,对LIPSS相关技术在未来的发展进行展望。

超短脉冲激光诱导周期性表面结构（英文）

激光诱导周期性表面结构(Laser-induced periodic surface structures,LIPSS)具有纳米尺度的特征结构和自重复的微观尺度的排列图案,因此,LIPSS在传感器、太阳能发电、光催化等方面具有广泛的应用前景。本文首先介绍LIPSS形成过程中超快激光与物质相互作用的复杂过程,强调瞬态光学性质和表面结构变化的作用。然后综述几种具有代表性的LIPSS形成机理,并且讨论了各自的优缺点。接着介绍了LIPSS形成过程中材料的变化,主要包括材料化学成分、晶体结构和表面微观结构的变化。最后综述了LIPSS在材料表面处理、光学和机械等方面的应用。

激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm^(2),扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm^(2),扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

飞秒激光诱导纳米金刚石薄膜表面周期性结构的摩擦学性能研究

研究基于飞秒激光辐照方法在纳米金刚石(nano-crystalline diamond,NCD)薄膜表面制备的激光诱导周期性结构(laser-induced periodic surface structures,LIPSS)的摩擦学行为。在空气环境下采用脉冲宽度为200 fs,中心波长为1040 nm的掺镱光子晶体光纤飞秒激光辐照NCD薄膜表面产生LIPSS。基于不同的扫描间隔制备2种LIPSS表面,即连续分布的LIPSS表面(continuously distributed LIPSS,CDL)和均匀间隔的LIPSS带状表面(evenly spaced LIPSS stripes,ESLS)。通过球盘式摩擦磨损试验机进行往复式干摩擦试验来对上述2种LIPSS表面的摩擦学性能进行表征,其中的对磨球为ZrO_(2)陶瓷材质。往复式摩擦试验采用了平行和垂直于LIPSS纹理的2种摩擦方向。研究结果表明:施加LIPSS后的NCD薄膜表面容屑能力得到改善,同时摩擦接触面积降低,因而相比于原始NCD薄膜,其摩擦系数明显降低;对于CDL表面,摩擦方向与LIPSS纹理垂直时的摩擦系数比纹理平行时的更高;ESLS表面的LIPSS纹理方向对摩擦系数无影响。

激光诱导聚合物表面周期性微结构的快速制备研究

采用波长355nm的紫外偏振激光,通过步进扫描法在聚酰亚胺(BDTA-MMAD)薄膜表面制备了激光诱导周期性表面微结构(LIPSS),采用原子力显微镜(AFM)分析了LIPSS图形质量及几何尺寸,考察了X、Y方向扫描速度和扫描步长等参数对LIPSS制备的影响,发现随着X方向扫描速度和Y方向扫描步长的增大,由于薄膜表面受到激光辐射累积能量降低,LIPSS图形质量明显下降。但是,在提高Y方向扫描步长的同时提高激光辐射能量,仍能在较快速度下制得规则的LIPSS结构。根据实验结果提出了实现LIPSS快速制备的优化条件,并探讨了LIPSS的形成机理。

“超快激光诱导自组织周期微纳结构”专题导读

激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是一种通过激光加工材料表面而形成的微纳米尺度周期性结构的现象。LIPSS的研究背景主要源于对光学加工技术的发展和微纳米加工技术的需求。随着光学加工技术的不断发展,人们越来越需要能够在微纳米尺度下进行高精度加工的方法。LIPSS作为一种自组织的结构形成方式,具有许多优势,例如加工速度快、无需使用光刻等昂贵的设备、适用于多种材料等,因此受到了广泛的关注。

纳秒激光诱导聚酰亚胺薄膜周期性结构的产生

采用波长为355 nm、脉宽为7 ns、重复频率为1 Hz的线性偏振激光在聚酰亚胺薄膜表面制备了微米量级的周期性表面结构,并讨论了激光参数对条纹形貌的影响。实验发现,周期性结构的产生存在一定的能量密度阈值和脉冲个数阈值,当激光能量密度范围在54~586 mJ/cm^(2),脉冲个数在1~50时,能在聚合物薄膜表面产生周期为4~6.65μm的规整条纹结构。在保持激光能量密度不变的情况下,增加脉冲个数,或者保持脉冲个数不变,增大入射到材料表面的激光能量密度,都能引起条纹周期增大,并且根据实验结果,随着脉冲个数的增加,烧蚀坑的深度增加,LIPSS能持续出现在坑底。此外,为分析周期性结构形成的可能原因,通过对热传导模型的建立讨论了当周期性结构形成时材料历经的物理状态。文中的相关研究结果对基于LIPSS实现的材料表面润湿性、摩擦力学、光学特性的改善提供了一定的研究基础。

飞秒激光诱导金属表面的周期性结构分析

随着科学技术的不断发展,激光技术逐渐发展产生了飞秒激光,而在飞秒激光出现之后促进了材料、激光直接的相互作用,使得飞秒激光诱导金属表面出现新的周期性结构,这中结构的潜在应用价值非常重要,因此急需加大对其研究。本文主要研究飞秒激光的主要特点和具体应用,飞秒激光诱导金属表面的周期性结构的主要特点以及产生的现象。

基于法布里-珀罗腔产生飞秒激光脉冲串在硅表面诱导高质量亚波长周期条纹(特邀)

为了制备高质量表面周期结构,利用法布里-珀罗腔对飞秒激光进行时域整形,输出子脉冲间隔在1~300 ps内灵活可调的飞秒激光脉冲串,在硅表面诱导亚波长周期条纹。实验结果显示,利用飞秒激光脉冲串诱导得到的亚波长周期条纹明显优于原始高斯光诱导的亚波长周期条纹。利用子脉冲间隔为100 ps的脉冲串诱导的亚波长条纹最佳,条纹周期为1008 nm,结构取向角为2.8°,边缘粗糙度为3.9 nm,可达到光刻工艺的标准。

用可见激光在聚(氨酯-酰亚胺)表面制备周期性亚微米结构

由于含有偶氮苯染料侧基 ,聚 (氨酯 -酰亚胺 ) (PUI)对 5 3 2 nm的光具有较强的吸收 .采用该波长的可见偏振脉冲激光 (Nd∶ YAG激光器的倍频输出 ) ,在 PUI薄膜表面制备了激光诱导周期性表面微结构(LIPSS) .研究了染料引入方式以及染料侧基含量对微结构形成过程的影响 ,讨论了入射角、激光脉冲数、激光脉宽等激光辐射条件对 LIPSS形成过程以及对微结构形貌和周期性的影响 .

飞秒激光诱导钛表面形成高空间频率周期条纹结构

利用波长为800nm的飞秒激光,在空气和去离子水中诱导钛表面形成不同的周期条纹结构。在空气中,激光能量密度为0.265J/cm^2时,钛表面主要形成周期为500~560nm低空间频率条纹结构;激光能量密度为0.102J/cm^2时,主要形成的是周期为220~340nm高空间频率条纹结构。两种条纹均垂直于入射激光偏振方向,且条纹周期随着脉冲重叠数的增大而增大。在水中,除形成垂直激光偏振方向、周期为215~250nm的高空间频率条纹结构,还形成了平行于激光偏振方向且周期约为入射激光波长八分之一的高空间频率条纹结构。利用表面等离子体理论、二次谐波及Sipe理论对各种周期条纹结构的形成机理进行分析,发现周期条纹结构的形成与钛表面氧化层有密切的关系。

融石英表面高质量亚波长光栅结构的飞秒激光加工

采用钛蓝宝石飞秒激光加工系统在融石英表面诱导表面周期性微纳结构,研究了激光诱导表面周期结构的形成过程以及激光能量密度、脉冲数、光斑大小和脉冲的空间间隔对融石英表面激光诱导表面周期结构的形貌的影响。实验结果表明,飞秒激光在融石英表面可以诱导出周期性的亚波长结构,主要以垂直于激光偏振方向的光栅状结构为主,其周期在百纳米量级且具有更好的可复现性。在激光光斑控制在1μm附近时,所得到的形貌具有较高的规则性。根据实验结果设计了聚焦高斯光斑低通量的加工方式。所制备的光栅结构具有200~300 nm的周期,平均深度约为300 nm。

基于激光诱导表面周期结构的微纳防伪结构色

激光诱导表面周期结构由于其周期相关的光栅衍射特性在明场下显示出鲜艳的结构色,备受研究人员的广泛关注,而微纳结构在显微镜暗场显示的颜色通常容易被忽略。本文报道通过飞秒激光对氧化铟锡薄膜加工形成双周期光栅结构,利用其在明场和暗场的观察下具有不同的颜色特性实现图像加密应用。通过控制飞秒激光的偏振、脉冲能量和扫描速度在氧化铟锡薄膜上形成与偏振和波长相关的亚波长周期光栅,通过控制激光加工线条行间距形成大周期光栅。本文研究了激光加工能量和加工线条之间的间距对其形成双周期结构在明场和暗场显色的影响,利用不同加工参数结构在明场和暗场下显示不同的颜色实现图像加密。激光直写加工可以快速制备大面积区域,有望在商品防伪、图案装饰、超表面设计等方面发挥潜在的应用价值。

高重频飞秒激光诱导磁性镍薄膜产生LIPSS的研究

飞秒激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是使用线偏振激光作用于材料时最常见的一种表面形貌,一直被研究人员广泛关注,但是在磁性薄膜上诱导产生LIPSS的研究仍相对较少,因此研究高重频飞秒激光作用于磁性薄膜材料后材料磁学性质的变化是十分必要的。实验使用中心波长1030 nm、脉冲宽度300 fs、重复频率100 kHz的飞秒激光在厚度为100 nm的镍薄膜上进行线扫描,诱导产生了LIPSS。光学显微镜和电子显微镜图像显示,在高重频飞秒激光的热效应影响下,LIPSS条纹的周期测量值约为989 nm。通过X射线衍射仪和超导量子干涉仪对写有周期性LIPSS结构的样品进行测试并分析,证明了产生LIPSS过程中导致的材料原子重组并没有改变镍膜的颗粒大小和组成成分,飞秒激光作用后的磁性材料的饱和磁化强度也基本与原样保持一致,但其矫顽力发生了明显的变化,笔者认为这是由于加工过程中喷溅出的极少量反铁磁氧化镍颗粒产生的钉扎效应所导致的。

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。

激光表面强化与微纳制造技术研究进展

我国激光表面强化技术和表面微纳结构制造技术虽然起步较晚,但近年来发展十分迅速,已在激光与物质瞬态作用基础理论、激光冲击强化、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光表面直写、激光诱导表面微结构等方面取得了重要进展;但是,与对激光技术研究起步更早的国家相比,我国仍然存在缺乏首创工艺技术、激光与物质瞬态作用基础理论研究薄弱等问题,在工业技术应用和装备研制方面也存在一定差距。综述了激光表面强化与微纳制造技术的研究进展。随着微纳结构制造产业的不断发展进步、新合金新材料应用需求的增加以及环保要求的提高,激光表面强化和激光表面微纳结构制造技术会向着效率更高、精度更高、性能更高的方向继续迈进,在实际生产中的应用也将得到进一步的发展。

扫描方向对金属和硅复合薄膜表面激光诱导自组织加工质量的影响(特邀)

激光诱导周期性表面结构的质量可通过调整激光参数、改善材料表面和优化扫描策略等手段来提高。研究了扫描方向对线偏振激光诱导金属/硅复合薄膜表面氧化LIPSS的影响。结果表明,当扫描方向垂直于激光偏振方向时,纳米结构会出现分叉、不连续等问题;当扫描方向平行于激光偏振方向时,纳米结构呈现短程有序,但在光斑拼接处存在扭曲;而当扫描方向与激光偏振方向存在一定夹角时,容易获得长程均匀有序的周期性纳米结构。数值仿真结果表明造成这些现象的原因是近场效应对自组织过程具有不可忽略的影响。

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

使用脉宽约10ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示:在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。