图7 1.52J/cm2烧蚀后铜上辐照斑点中心部分的SEM图像 。
研究了多种金属的各种纳米/微结构的生成 ， 包括金、钛、银和铝 。 对材料飞秒激光纳米结构的研究表明 ， 表面纳米结构的形态特性取决于材料 。 Huang等人在相同的实验条件下对三种贵金属（铜、银和金）上的飞秒激光诱导纳米结构进行了比较研究 。 作者发现 ， 在飞秒激光照射金属后 ， 表面纳米结构直接与两个超快过程（电子-声子耦合和热电子扩散）的竞争有关 。 研究表明 ， 电子-声子耦合在纳米结构中起主导作用 ， 而热导率和热容的影响相对不重要 。
Dou等人已经证明 ， 由于某些合金成分的优先烧蚀 ， 合金的表面纳米结构可能涉及表面化学成分的变化 。 Li等人发现 ， 飞秒激光在空气中纳米构造铝会增加氧化膜的厚度和α晶氧化铝的含量 。 此外 ， X射线光电子能谱和X射线衍射分析表明形成了结晶的钙长石Al（OH）3 。 在低激光能量密度下 ， 发现表面形貌为胶状 ， 纳米粒子嵌入胶状物质中 。 在高激光通量下 ， 铝样品的表面具有高度纳米孔 ， 并被尺寸小于20 nm的纳米颗粒覆盖 。 尽管大多数关于激光纳米结构的研究是在空气中进行的 ， 但在液体中烧蚀也获得了有趣的纳米结构结果 。 Stratakis等人研究了在液体（水和乙醇）中烧蚀后铝表面的纳米结构 。 作者发现 ， 表面纳米结构不是在光学抛光的样品上产生的 ， 但是当表面在激光烧蚀之前用砂纸粗糙时 ， 它们很容易形成 。
提出了以下机制来解释金属表面纳米和精细微结构的形成：（1）飞秒激光诱导熔体动力学[19 64 135
， 空化纳米涂层 ， 以及（3）烧蚀纳米颗粒重新定位和融合回辐照样品 。 纳米结构的第一个机制是由于局部纳米级熔体 ， 其中 ， 纳米熔体中的高径向温度梯度诱导径向表面张力梯度 ， 将液体驱逐到纳米熔体的外围 。 由于排出液体的快速冻结 ， 该熔体流动导致形成图6a所示的纳米空腔、纳米突起和纳米边缘 。 这种纳米结构发生在低激光能量密度和低激光次数下 。 随着激光注量或激光发射次数的增加 ， 表面纳米熔体生长 ， 然后合并到一个大的熔池中 ， 由于熔融表面层的不稳定性 ， 液体纳米颗粒开始从熔池中喷射出来 。
在这种情况下 ， 那些在分离时冻结的液体纳米颗粒形成各种形状的表面纳米突起 。 这一机制之前已针对更长的激光脉冲进行了讨论 。 第二种机制解释了通过空化气泡使层裂层变形来形成表面纳米结构 。 被空化气泡“粗糙化”的表面熔体的超快速冷却导致表面纳米空穴 。 表面结构形成的第三种机制取决于环境气体压力 。 众所周知 ， 当在大气压的环境气体中发生烧蚀时 ， 烧蚀的纳米颗粒被密集地沉积回辐照样品上 ， 并在辐照点周围形成熔融纳米颗粒的聚集体（见图1） 。 然而 ， 当环境气体压力降低时 ， 背沉积显著减少 。 由于飞秒激光纳米结构是在空气和真空中观察到的 ， 因此单点辐照的再沉积机制并不占主导地位 。 然而 ， 由于激光脉冲与先前激光脉冲烧蚀沉积的纳米颗粒之间的等离子体相互作用 ， 当使用光栅扫描处理样品时 ， 它可能显著促进表面纳米结构 。 这种相互作用被称为等离子体烧蚀 ， 可以显著影响产生的表面结构 。 应该注意的是 ， 目前对纳米/微观结构形成的物理过程没有明确的理解 ， 争论仍在继续 。
来源：Direct femtosecond laser surface nano/microstructuring and its applications Laser Photonics Reviews doi.org/10.1002/lpor.201200017
【直接飞秒激光表面纳米/微结构及其应用（1）】参考文献：F. Korte J. Serbin J. Koch A. Egbert C. Fallnich A. Ostendorf and B. N. Chichkov Appl. Phys. A 77 229– 235 (2003).
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