飛秒激光誘導(dǎo)金屬表面微結(jié)構(gòu)及其特性的研究.pdf

1、伴隨著超短脈沖激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，飛秒激光逐漸成為了一種對(duì)材料進(jìn)行便捷、有效處理的新工具。由于其超短的脈沖持續(xù)時(shí)間和超強(qiáng)的峰值功率，飛秒激光幾乎可以對(duì)任何材料進(jìn)行微納米精度的高質(zhì)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(yīng)對(duì)基底材料帶來的損傷問題。當(dāng)調(diào)整入射飛秒激光通量位于材料損傷閾值附近時(shí)，經(jīng)過一定數(shù)目的飛秒激光脈沖輻照之后，材料表面會(huì)自組織形成一種奇特的微結(jié)構(gòu)，其特征尺寸通常在亞波長甚至納米量級(jí)。目前，這些表面微

2、納結(jié)構(gòu)在物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但其形成的物理機(jī)制、動(dòng)態(tài)特性以及對(duì)材料性能的改變等依然是懸而未決的重要科學(xué)問題，對(duì)其深入研究將有助于進(jìn)一步揭示激光與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)。
　　 本論文主要針對(duì)近紅外飛秒激光脈沖(800nm、50fs、1kHz)在鈦基合金材料表面誘導(dǎo)形成多種微納結(jié)構(gòu)及其對(duì)材料性能的改變，在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面進(jìn)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(shí)間分辨能力的泵浦-探測和全息

3、成像實(shí)驗(yàn)裝置，研究了飛秒激光照射不同金屬后，材料表面光學(xué)性質(zhì)的超快響應(yīng)過程及其物理機(jī)制。論文的主要內(nèi)容和研究結(jié)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(shù)的飛秒激光脈沖在鎳鈦合金表面誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)形成的特性。實(shí)驗(yàn)表明在飛秒激光照射下材料表面可以形成亞波長量級(jí)的條紋結(jié)構(gòu)，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(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)幾乎保持不變。X-射線光電能譜測量表明經(jīng)飛秒激光照射后，材料表面的化學(xué)物質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究了鎳鈦合金表面微納結(jié)構(gòu)在0.2-25μm的范圍內(nèi)對(duì)材料光學(xué)吸波性能的影響。實(shí)驗(yàn)中首先通過使用不同的激光通量在樣品表面產(chǎn)生了類珊瑚狀、類光柵狀和類蜂窩狀三種不同類型的微結(jié)構(gòu)。隨后基于積分球反射測量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了這些微結(jié)構(gòu)化的金屬表面對(duì)入射電磁波的吸收性能明顯增強(qiáng)。特別是，類珊瑚狀微結(jié)構(gòu)實(shí)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(qiáng)吸收效果，并在理論上對(duì)這種物理現(xiàn)象進(jìn)行了分析討論。
　　 3．實(shí)驗(yàn)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(duì)飛秒激光在金屬表面誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)在去離子水中金屬表面產(chǎn)生了尖峰，多孔相結(jié)合的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)以及周期為100nm的條紋狀結(jié)構(gòu)，它們的特征尺寸可以通過改變激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。在去離子水中，檢測到了由飛秒激光燒蝕作用所產(chǎn)生的金屬

6、納米顆粒，其直徑約為20nm。在過飽和經(jīng)基磷灰石懸濁液中通過采用合適的激光通量實(shí)現(xiàn)了Ca、P元素在金屬微結(jié)構(gòu)表面的牢固沉積。隨后我們?cè)谶@種微結(jié)構(gòu)金屬表面進(jìn)行了細(xì)胞培育實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)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(duì)激光誘導(dǎo)周期性微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明金屬表面粗糙度隨著入射飛秒激光通量和脈沖數(shù)目的增多而變大；激光誘導(dǎo)的條紋結(jié)構(gòu)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(shù)目的

7、增大而減小。另外，通過重點(diǎn)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(duì)材料介電常數(shù)的影響，我們?cè)诶碚撋咸岢隽艘粋€(gè)新物理模型，對(duì)飛秒激光誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)現(xiàn)象進(jìn)行了合理解釋。
　　 5．基于泵浦-探測原理和全息成像技術(shù)，我們建立了具有亞皮秒時(shí)間分辨的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)飛秒激光照射金屬等材料后表面特性超快弛豫的時(shí)空動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了診斷分析。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)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(yīng)時(shí)間大約為