復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院、上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院、上海市先進(jìn)激光制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的科研人員報道了近場調(diào)控超快激光超波長結(jié)構(gòu)直接加工超硬金屬玻璃。相關(guān)論文以“Near-Field-Regulated Ultrafast Laser Supra-Wavelength Structuring Directly on Ultrahard metallic Glasses”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

超快激光-物質(zhì)相互作用實現(xiàn)了“自上而下”的激光表面結(jié)構(gòu)化，尤其適用于難加工材料的“自下而上”自組織特征構(gòu)建。通過施加正/負(fù)反饋機(jī)制，亞波長激光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的缺陷和長程有序性得到改善。然而，與復(fù)雜熱/流體動力學(xué)更相關(guān)的超波長激光結(jié)構(gòu)化研究仍鮮有報道。本研究首次開發(fā)了近場調(diào)控超快激光光刻技術(shù)，直接在超硬金屬玻璃上制備出自排列超波長微/納米孔陣列。預(yù)結(jié)構(gòu)上的等離子體熱點(diǎn)作為正反饋，限定了橫向幾何特征（位置、尺寸）；同時，在特定飛秒激光輻照下，通過光動力等離子體燒蝕和Marangoni材料去除的負(fù)反饋機(jī)制，實現(xiàn)微/納米孔陣列的自組織鉆孔。研究了多物理場轉(zhuǎn)換（基于雙溫模型）、遠(yuǎn)場/近場耦合以及激光-物質(zhì)相互作用中偏振依賴性的機(jī)理和有限元建模。制備出大面積（厘米級及以上）可調(diào)周期（1-5 μm）和幾何形貌（343/515/1030 nm激光分別對應(yīng)500 nm-6 μm孔徑）的微/納米孔陣列，使2.5-6.5 μm中遠(yuǎn)紅外反射率從≈80%降至≈5%。多物理場耦合與近場增強(qiáng)的普適性使該方法具有廣泛適用性。

圖1、a)近場調(diào)控超快激光光刻示意圖（激光波長=1030 nm）；

b)飛秒激光掃描策略示意圖（光斑直徑=25 μm）與實際加工效果：

場景i-低能量累積完全重疊掃描、

場景ii-高能量累積完全重疊掃描、

場景iii-錯位掃描（間距Δy=10 μm）；

c)種子結(jié)構(gòu)近場增強(qiáng)電磁場分布模擬（截面取自a圖黃線位置）；

d)微/納米孔陣列構(gòu)成的復(fù)旦?；請D案（可見光與紅外圖像，右箭頭顯示標(biāo)志溫度測量值）；

e)激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）構(gòu)成的校徽圖案（可見光與紅外圖像）；

f)表面微/納結(jié)構(gòu)金屬玻璃的紅外熱成像測量。

圖2、a)單點(diǎn)曝光模式下金屬玻璃表面LIPSS形貌演變與模擬（f=10 kHz, φ=0.02 J cm^-2, λ=1030 nm）激光脈沖數(shù)：(i)5, (ii)50, (iii)100, (iv)200；

b)不同激光累積通量下LIPSS表面溫度分布曲線；

c)完全重疊掃描模式下微/納結(jié)構(gòu)隨激光功率演變（f=10 kHz, v=60 mm/s, n=50, λ=1030 nm）激光功率：(i)3, (ii)6, (iii)8, (iv)16, (v)22, (vi)28, (vii)34, (viii)46 mW；

d)微/納米孔形成過程中的溫度場與流場模擬。

圖3、a)典型偏振角0°/45°/90°下的LIPSS、SWPSS與自排列微/納米孔形貌；

b)激光偏振角（0°-360°）對自排列微/納米孔的影響；

c)不同偏振角下微/納米孔尺寸與間距統(tǒng)計（n=15）；

d)極坐標(biāo)加工對自排列微/納米孔的影響；

e)不同角速度下微/納米孔尺寸與間距統(tǒng)計（n=15）。

圖4、a)完全重疊掃描（1030 nm）：單排自排列微/納米孔

b)完全重疊掃描（1030 nm）：大面積自排列微/納米孔陣列

c)基于SWPSS種子結(jié)構(gòu)的近場電磁波沉積模型（1030 nm）：俯視圖

d)錯位掃描（1030 nm）：單排自排列微/納米孔

e)錯位掃描（1030 nm）：大面積自排列微/納米孔陣列

f)基于SWPSS的近場電磁沉積模型（1030 nm）：截面圖

g)不同激光累積通量下微/納米孔間距統(tǒng)計（1030 nm, n=15）

h)不同激光累積通量下微/納米孔尺寸統(tǒng)計（n=15）

i)343 nm（光斑8 μm, Δy=5 μm）/515 nm（光斑16 μm, Δy=9 μm）/1030 nm（光斑25 μm, Δy=10 μm）激光波長下的微/納米孔形貌

j)不同波長下微/納米孔尺寸/間距及其與SWPSS的比值統(tǒng)計（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=15）

圖5、a)強(qiáng)紅外輻照下不同微/納結(jié)構(gòu)表面熱成像

b)不同微/納結(jié)構(gòu)表面的紅外波段反射率

c)入射角對不同微/納結(jié)構(gòu)表面熱成像的影響

d)弱紅外輻照下不同微/納結(jié)構(gòu)表面熱成像

e)不同微/納結(jié)構(gòu)表面紅外測溫對比（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=15）

f)入射角對強(qiáng)紅外輻照下反射強(qiáng)度的影響（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=15）

g)冷卻過程中不同微/納結(jié)構(gòu)表面熱成像

h)不同微/納結(jié)構(gòu)的冷卻曲線

i)原始樣品與不同表面樣品的溫差

本研究首次利用近場調(diào)控超快激光打印技術(shù)，在金屬玻璃上制備出自排列亞波長微/納米孔紅外調(diào)控表面。通過精確調(diào)控激光參數(shù)，成功在鋯基金屬玻璃上制備了LIPSS和SWPSS結(jié)構(gòu)，并以SWPSS作為種子結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)生長出自排列微/納米孔?；诰钟虮砻娴入x子體共振（LSPR）遠(yuǎn)場/近場耦合機(jī)制，將種子結(jié)構(gòu)上的LSPR熱點(diǎn)作為正反饋，特定飛秒激光波長與輻照能量下的光動力等離子體燒蝕和光熱Marangoni材料去除作為負(fù)反饋，實現(xiàn)了自排列微/納米孔的可控制備。通過建立金屬玻璃電子-離子傳熱雙溫模型和基于LSPR機(jī)制的電磁場沉積模型，揭示了高規(guī)整微/納米孔陣列的形成機(jī)理。采用多波長（1030/515/343 nm）飛秒激光制備了周期可調(diào)（1-5 μm）、尺寸可控（直徑3-6 μm/1-2 μm/500-800 nm）的微/納米孔陣列。基于LIPSS虹彩效應(yīng)創(chuàng)造了多樣化結(jié)構(gòu)色圖案，利用微/納米孔表面低紅外反射特性（2.5-6 μm波段≈5%反射率）制備了大面積（厘米級及以上）可定制紅外抗反射表面。這種基于近場調(diào)控超快激光光刻的超波長功能表面在光學(xué)調(diào)控（特別是紅外波段）領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，其多物理場耦合與近場增強(qiáng)的普適性可推廣至其他難加工材料的超波長微/納結(jié)構(gòu)功能表面制備。