來自中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究人員提出了一種通過調(diào)節(jié)飛秒激光能量密度、掃描間隔和偏振在金屬表面制備微/納米混合結(jié)構(gòu)的有效且簡單的方法。該研究成果發(fā)表在Chinese Optics Letters上，題目為"Effective strategy to achieve a metal surface with ultralow reflectivity by femtosecond laser fabrication"。

金屬表面上的光吸收在航空航天、太陽能電池、人造黑體、紅外成像等各個(gè)領(lǐng)域具有重要意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。由于薄膜與基材之間存在界面結(jié)合和熱膨脹系數(shù)差異的問題，黑色陽極氧化和噴砂等傳統(tǒng)技術(shù)遇到了氧化層剝離、發(fā)黑一致性差、吸光能力和使用壽命有限等困難。與傳統(tǒng)的化學(xué)方法相比，在金屬表面制備微/納米減反射結(jié)構(gòu)具有反射率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在此之前的研究已經(jīng)提出了各種技術(shù)來在金屬表面產(chǎn)生調(diào)節(jié)的抗反射微/納米結(jié)構(gòu)，例如化學(xué)蝕刻、機(jī)械開槽、反應(yīng)離子蝕刻和長脈沖激光加工。

超快激光制造技術(shù)具有操作簡單、空間加工靈活、加工精度高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是制備增透光陷光結(jié)構(gòu)表面較為理想的制造技術(shù)之一。通過使用超快激光，獲得黑色或有色金屬（如鋁、金、鉑、鎢、銅、鈦和不銹鋼），其典型反射率從紫外到近紅外約為 5%–15%光譜范圍。

通過優(yōu)化激光加工參數(shù)或與其他技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)較低的反射率。然而，很少有研究能簡單有效地實(shí)現(xiàn)金屬表面的寬帶效率和超低平均反射率性能。在該研究中，來自西光所的研究人員提出了一種通過調(diào)整飛秒激光參數(shù)在金屬表面制造微/納米混合結(jié)構(gòu)的有效且簡單的方法。他們研究了激光能量密度、掃描間隔和偏振對(duì)表面形貌和平均反射率的影響并詳細(xì)討論了微/納米結(jié)構(gòu)的演變和形成。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中使用尺寸為25毫米× 25毫米× 10毫米的 TC7 鈦合金樣品。在激光處理之前，樣品的機(jī)械拋光表面在超聲波清洗器中用無水乙醇和去離子水清洗。對(duì)于金屬表面改性，采用具有高重復(fù)率 (1 MHz) 和最高功率 (20 W) 的工業(yè)飛秒激光器（來自 Light Conversion，立陶宛的 Pharos-20 W）。

▲圖1. 飛秒激光器在焦平面上制造的微/納米結(jié)構(gòu)圖像。激光功率和掃描速度分別為 20 W 和 50 mm/s。

▲圖2. 不同離焦距離下飛秒激光誘導(dǎo)的微納結(jié)構(gòu)形貌：(a). 1.60 mm；(b). 1.62 毫米；(c) 1.64 毫米；(d) 1.66 毫米；(e) 1.68 毫米

飛秒激光器在不同離焦距離下制造的表面形貌的變化最終導(dǎo)致樣品反射率的差異。圖3說明了飛秒激光器在不同離焦距離下制造的樣品的反射光譜。與表面帶有微槽的樣品的4.78%相比，在1.64 mm離焦距離下制造的樣品在250 nm至2300 nm光譜范圍內(nèi)的平均反射率接近3.43%。隨著離焦距離進(jìn)一步增加到 1.66 mm，平均反射率繼續(xù)下降到 3.19%，這是由于微納米結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步雜化以及深達(dá) 78 µm 的微納米結(jié)構(gòu)數(shù)量顯著增加。這表明混合微/納米結(jié)構(gòu)比周期性分布具有更好的光吸收效果。

▲圖3. 飛秒激光器在不同離焦距離下制備的樣品的反射光譜

由于激光光斑沿水平方向的重疊不變，微/納米結(jié)構(gòu)仍然是混雜的不規(guī)則分布，包含微孔、突起、空腔等。如圖4所示。然而，微/納米結(jié)構(gòu)的排列周期、數(shù)量和深度需要進(jìn)一步研究。

▲圖4. 飛秒激光在不同掃描間隔下制備的微/納米混合結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像：(a) 50 µm；(b) 40 微米；(c) 30 微米；(d) 20 µm

▲圖5. 不同掃描間隔的混合微/納米結(jié)構(gòu)的三維形貌：(a) 50 µm；(b) 40 微米；(c) 30 微米；(d) 20 µm

▲圖7. 圓偏振激光制備的黑化樣品及其形貌

總之，研究人員實(shí)驗(yàn)證明：(1). 飛秒激光制備的樣品在不同的激光加工參數(shù)下形貌變化較大；(2). 在 250-2300 nm 光譜帶中可以實(shí)現(xiàn) 2% 的超低平均反射率，在紫外波段可以實(shí)現(xiàn)最低 1.5% 的反射率。該方法具有簡單、高效的優(yōu)點(diǎn)，可用于制備大面積、高一致性的吸光金屬表面，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。