飛秒激光誘導金屬表面微結構及其特性的研究.pdf

1、伴隨著超短脈沖激光技術的迅猛發(fā)展，飛秒激光逐漸成為了一種對材料進行便捷、有效處理的新工具。由于其超短的脈沖持續(xù)時間和超強的峰值功率，飛秒激光幾乎可以對任何材料進行微納米精度的高質量加工和制備，從根本上解決了傳統(tǒng)長脈沖激光加工所帶來的熱熔化效應對基底材料帶來的損傷問題。當調整入射飛秒激光通量位于材料損傷閾值附近時，經過一定數目的飛秒激光脈沖輻照之后，材料表面會自組織形成一種奇特的微結構，其特征尺寸通常在亞波長甚至納米量級。目前，這些表面微

2、納結構在物理、化學、生物、材料等領域得到了廣泛的應用，但其形成的物理機制、動態(tài)特性以及對材料性能的改變等依然是懸而未決的重要科學問題，對其深入研究將有助于進一步揭示激光與物質相互作用的物理本質。
　　 本論文主要針對近紅外飛秒激光脈沖(800nm、50fs、1kHz)在鈦基合金材料表面誘導形成多種微納結構及其對材料性能的改變，在實驗和理論兩方面進行了系統(tǒng)、深入和創(chuàng)新的研究。另外，我們通過建立具有超高時間分辨能力的泵浦-探測和全息

3、成像實驗裝置，研究了飛秒激光照射不同金屬后，材料表面光學性質的超快響應過程及其物理機制。論文的主要內容和研究結果概括如下：
　　 1．系統(tǒng)研究了在空氣環(huán)境氛圍下不同參數的飛秒激光脈沖在鎳鈦合金表面誘導微納結構形成的特性。實驗表明在飛秒激光照射下材料表面可以形成亞波長量級的條紋結構，它們的排列方向垂直于激光線偏振方向。空間周期在我們采用的實驗參數范圍內幾乎保持不變。X-射線光電能譜測量表明經飛秒激光照射后，材料表面的化學物質未發(fā)生

4、明顯變化，但是材料晶粒大小被重新塑造，并在實驗上觀測到了金屬晶格材料形成納米晶和非晶態(tài)的物理現(xiàn)象。
　　 2．實驗研究了鎳鈦合金表面微納結構在0.2-25μm的范圍內對材料光學吸波性能的影響。實驗中首先通過使用不同的激光通量在樣品表面產生了類珊瑚狀、類光柵狀和類蜂窩狀三種不同類型的微結構。隨后基于積分球反射測量技術，發(fā)現(xiàn)了這些微結構化的金屬表面對入射電磁波的吸收性能明顯增強。特別是，類珊瑚狀微結構實現(xiàn)了在紫外-可見-中紅外超寬波

5、段范圍上大于90％的增強吸收效果，并在理論上對這種物理現(xiàn)象進行了分析討論。
　　 3．實驗研究了去離子水、羥基磷灰石(HA, Ca10(PO4)6(OH)2)和CaCl2andNa3PO4溶液等液體環(huán)境對飛秒激光在金屬表面誘導微結構的影響。研究發(fā)現(xiàn)在去離子水中金屬表面產生了尖峰，多孔相結合的復雜微結構以及周期為100nm的條紋狀結構，它們的特征尺寸可以通過改變激光參數進行調控。在去離子水中，檢測到了由飛秒激光燒蝕作用所產生的金屬

6、納米顆粒，其直徑約為20nm。在過飽和經基磷灰石懸濁液中通過采用合適的激光通量實現(xiàn)了Ca、P元素在金屬微結構表面的牢固沉積。隨后我們在這種微結構金屬表面進行了細胞培育實驗，結果證實其具有良好的生物相容性能。
　　 4．利用雙步交叉劃刻方法，研究了金屬表面粗糙度對激光誘導周期性微結構的影響。結果表明金屬表面粗糙度隨著入射飛秒激光通量和脈沖數目的增多而變大；激光誘導的條紋結構周期隨著激光通量的增大而變大，但隨著表面粗糙度和脈沖數目的

7、增大而減小。另外，通過重點考慮表面等離子體波在金屬-激發(fā)電子層交界面上的存在以及表面粗糙度對材料介電常數的影響，我們在理論上提出了一個新物理模型，對飛秒激光誘導表面微結構現(xiàn)象進行了合理解釋。
　　 5．基于泵浦-探測原理和全息成像技術，我們建立了具有亞皮秒時間分辨的實驗裝置，對飛秒激光照射金屬等材料后表面特性超快弛豫的時空動力學過程進行了診斷分析。研究發(fā)現(xiàn)對于金屬銀膜和鎳鈦合金等晶格材料來說，其表面折射率開始變化的響應時間大約為