飛秒激光材料表面功能化處理的研究.pdf

1、飛秒激光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生等離子體、納米顆粒和表面周期性微納結(jié)構(gòu)。其中，對(duì)飛秒激光濺射低溫等離子體的特性進(jìn)行研究可以為激光濺射鍍膜提供理論依據(jù)；而使用飛秒激光產(chǎn)生納米顆粒的方法也具備快速穩(wěn)定和可控的特點(diǎn)；特別重要的是飛秒激光導(dǎo)致的周期性表面微納結(jié)構(gòu)擁有吸波和超疏水的特性，這在仿生自清潔材料、人工生物醫(yī)學(xué)材料、新能源材料以及航天與航海領(lǐng)域內(nèi)的大型艦船外殼的制造方面都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本論文以研究飛秒激光對(duì)材料表面功能化處理

2、機(jī)制和方法為目的，在多種材料上獲得了可靠的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為飛秒激光材料表面處理在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了參考。本論文的工作概括如下：
　　一、使用Langmuir探針在真空中探測(cè)飛秒激光濺射產(chǎn)生的低溫等離子體的特性，以獲得等離子體中的電子溫度信息。電子溫度的衍化過(guò)程是雙溫模型的重要參數(shù)，所以在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)Langmuir探針測(cè)得的電子溫度被用來(lái)驗(yàn)證使用雙溫模型的合理性。此外，通過(guò)自制的自動(dòng)偏壓控制單元自動(dòng)調(diào)節(jié)加載在Langmuir

3、探針上的偏壓并自動(dòng)存儲(chǔ)示波器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，提高獲取等離子體特征信息的效率和可靠性。
　　二、利用高重復(fù)頻率飛秒激光分別在空氣環(huán)境和水環(huán)境中燒蝕銅納米薄膜。在空氣中，選擇不同厚度的銅膜作為加工樣品，獲得了在燒蝕孔周?chē)傥⒚追秶鷥?nèi)的彩色納米顆粒環(huán)帶。通過(guò)掃描電子顯微鏡和顯微拉曼頻譜儀分析了這些彩色環(huán)帶的納米結(jié)構(gòu)和物質(zhì)構(gòu)成，以分析產(chǎn)生機(jī)制。在水中，經(jīng)過(guò)飛秒激光輻射之后，在銅膜表面得到氧化銅和氧化亞銅的納米顆粒、

4、以及氧化亞銅的納米立方體，分析了產(chǎn)生機(jī)制。進(jìn)一步使用雙溫模型計(jì)算了不同厚度的銅膜在空氣中受到飛秒激光輻射以后的溫度衍化情況，并與使用Langmuir探針探測(cè)得到的等離子體電子溫度進(jìn)行了比較，為上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制提供了理論依據(jù)。
　　三、通過(guò)飛秒激光在單晶硅表面進(jìn)行表面處理實(shí)驗(yàn)，獲得周期性表面微納結(jié)構(gòu)，并使用改進(jìn)的雙溫模型和Sipe-Drude模型對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。在本論文中，闡述了兩種之前被忽視了的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：第一，波紋（ripp

5、les）的彎曲和分裂現(xiàn)象；第二，凸槽（grooves）的產(chǎn)生。通過(guò)模擬計(jì)算，這兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制獲得了解釋?zhuān)@有助于人為控制并自主設(shè)計(jì)周期性表面微納結(jié)構(gòu)，為該成果轉(zhuǎn)化到工業(yè)生產(chǎn)之中提供參考。
　　四、為了將單脈沖入射條件下獲得的理論結(jié)果和多脈沖入射條件下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，分析了飛秒激光導(dǎo)致的周期性表面結(jié)構(gòu)（波紋和凸槽）閾值的潛伏效應(yīng)（incubation effect）。潛伏效應(yīng)通常被用來(lái)表示隨著入射激光脈沖數(shù)量的增加，激光

6、對(duì)材料的燒蝕閾值將會(huì)降低這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而本論文的工作證明潛伏效應(yīng)同樣適用于激光對(duì)材料造成表面改性的閾值。通過(guò)對(duì)潛伏效應(yīng)的分析，建立了在不同脈沖數(shù)量的入射條件下引起材料表面結(jié)構(gòu)改變的閾值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　五、改進(jìn)了飛秒激光加工系統(tǒng)，通過(guò)在光路中放置q板（q-plate）以產(chǎn)生飛秒激光渦旋光束，用來(lái)對(duì)材料進(jìn)行表面處理。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變飛秒激光渦旋光束的參數(shù)，成功地對(duì)周期性表面結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)進(jìn)行了控制。另外，系統(tǒng)地建立了飛秒激光渦旋