图1 金属的直接飞秒激光烧蚀纳米结构 。
图2显示了通过直接飞秒处理用于表面微/纳米结构的典型设置 。 飞秒激光的脉冲通过透镜聚焦到安装在计算机控制的XY平移台上的样品上 。 还可以使用圆柱透镜将激光束聚焦到聚焦线 。 分束器和焦耳计用于监测飞秒激光脉冲能量 。 机电快门用于控制应用激光脉冲的数量或在光栅扫描中阻挡激光束 。 可变衰减器用于改变入射到样品上的激光注量 。 偏振控制器用于在生产偏振敏感表面结构（如LIPSS）时控制激光偏振 。 图2所示的飞秒激光装置适用于在平移台静止时在样本上构建单个光斑 ， 在样本沿X轴或Y轴平移时构建单行 ， 或在样本进行光栅扫描时构建大面积 。 通过改变入射到处理金属上的激光脉冲参数 ， 可以产生多种受控表面结构 。
图2 表面纳米/微结构的典型实验装置 。
直接飞秒激光加工产生的纳米/微尺度表面结构可分为以下几类：（1）激光诱导的周期性和准周期性结构 ， （2）单个纳米孔和纳米孔阵列 ， （3）各种受控的不规则纳米结构（纳米腔、纳米球、纳米突起、纳米线）和（4）纳米结构纹理微结构 。 下面 ， 我们将详细讨论这些类型的表面结构 。
3、飞秒激光诱导金属上的周期结构
激光诱导的周期性表面结构是研究最为活跃的表面结构之一 。 Birnbaum于1965年首次在红宝石激光烧蚀后的半导体上观察到LIPSS ， 此后使用长脉冲激光对其进行了广泛研究 。 通常 ， LIPSS（通常称为表面波纹或纳米光栅）显示出规则的沟槽结构 ， 其周期与激光波长的数量级有关 ， 并垂直于入射光的偏振方向 。 金属上这些LIPSS的形成通常可以解释为入射激光与激发表面等离子体激元的干涉 ， 从而导致表面上的空间周期性能量分布 。
FLIPSS形成的物理过程有两个重要区别 。 首先 ， 样品表面对飞秒激光的吸收发生在电子和晶格子系统之间的热非平衡条件下 。 其次 ， 在飞秒激光脉冲终止后很长一段时间内 ， 周期性结构印在表面上 。 图3显示了FLIPSS形成过程中涉及的基本物理过程以及钛上FLIPSS形成的演变 。 通常 ， 前几次激光发射产生稀疏且随机分布的纳米结 。 众所周知 ， 由于衍射 ， 金属表面的表面纳米粗糙度可以将自由空间光耦合到表面等离子体激元（SPP） 。 因此 ， 下一个激光脉冲通过先前生产的纳米结构耦合到表面等离子体激元 。 线偏振光和SPP之间的干扰导致沉积到辐照样品中的能量发生周期性空间调制 。 这导致表面的空间调制加热（飞秒激光脉冲终止后）和周期结构的形成 。 在初始阶段 ， 在辐照点内的各个孤立位置仅观察到新生周期结构的小斑块 。 初生周期结构的示例如图3c所示 。
图3 金属上形成FLIPSS的基本过程 ， 以及在空气中辐照的钛上形成FLIPSS的示例 。 （a）激光处理前的样品表面 。 （b、c和d）分别施加2、10和40次激光后的样品表面 。
随着新生周期结构的形成 ， 激光与SPP的耦合开始从非共振转换为共振 ， 从而导致更有效的耦合 。 在此过程中 ， 凹槽加深提供了正反馈 。 随着激光发射次数的进一步增加 ， 新生的周期结构变得更尖锐、增长并合并为清晰的扩展FLIPSS。 图3d展示了清晰的扩展FLIPSS的示例 。 与长脉冲激光产生的LIPS类似 ， FLIPSS的光栅矢量也与激光偏振方向平行 。 长脉冲激光产生的LIPS和FLIPSS之间有两个主要的形态区别 。 首先 ， 与长脉冲激光产生的平滑LIPs不同 ， FLPs被纳米结构紧密覆盖 。 图4展示了覆盖纳米结构的翻转开关的示例 ， 其中可以看到这些分层结构的纳米结构细节 。 其次 ， 这些覆盖纳米结构的翻转开关的周期d明显小于规则LIPS的周期d ， 规则LIPS的周期大约等于正常入射激光下的激光波长 。 当金属表面上形成纳米结构时 ， 空气-金属界面的有效折射率的变化会影响激发SPP 的传播 ， 从而解释了覆盖纳米结构的FLIPSS的缩短周期 。
图4 钨（a）和铂（b）上覆盖纳米结构的翻转开关示例 。 FLIPSSs的脊和谷都有广泛的纳米结构纹理 。
在许多应用中 ， 控制光栅周期非常重要 。 Golosov等人利用钛蓝宝石激光器的基波（744 nm）和三次谐波（248 nm）激光脉冲 ， 在钛上分别产生了间距为450–600 nm和100–200 nm的翻转 。 研究了入射角对FLIPSS周期的影响 ， 结果表明 ， 通过将入射角从0°更改为80° ， 可以将金的d从0.6μm可控地增加到3.7μm ， 铂的d从0.6μm可控地增加到2.8μm 。 Shen等人在低激光通量条件下 ， 通过钛蓝宝石激光在水中辐照 ， 在硅表面上产生了间距约为120 nm的FLIPSS 。 Golosov等人在空气中和水中分别在钛表面产生了周期为450–600 nm和200–280 nm的FLIPSS 。 Yang等人研究了各种环境气体对硅上产生的FLIPSS周期性的影响 。 在空气、氮气和真空中 ， FLIPSS周期分别为625、667和740 nm 。 此外 ， 发现在真空中产生的翻转比在空气或氮气中产生的翻转更锋利 。
推荐阅读
- 格陵兰岛热到每日融冰60亿吨引争议：地球真正的灰犀牛事件来了？
- 材料工程基础-重点
- 《Nature Nanotech.》最新水凝胶人工肌肉！
- 爱因斯坦错了？德国科学家：人类可以“超光速旅行”，真的吗？
- 中国59岁大爷，首创“360度踩踏”自行车，厂商出660万收购被拒
- 外星文明存在4大可能性，马斯克认为第四种最有可能！为什么？
- “吃鸡”动物主题新皮肤！继恐龙拽拽之后，还有猫、老鼠和兔子！
- 浅析亚里士多德的灵魂观，人的灵魂中最低级的是植物灵魂或营养灵魂，人是实体的形式意味着灵魂是有朽
- 南极天空变成粉红色，怪异霞光取代“极夜”， 为什么会这样？