來自中國科學院西安光學精密機械研究所的研究人員提出了一種通過調(diào)節(jié)飛秒激光能量密度、掃描間隔和偏振在金屬表面制備微/納米混合結構的有效且簡單的方法。該研究成果發(fā)表在Chinese Optics Letters上，題目為"Effective strategy to achieve a metal surface with ultralow reflectivity by femtosecond laser fabrication"。

金屬表面上的光吸收在航空航天、太陽能電池、人造黑體、紅外成像等各個領域具有重要意義和現(xiàn)實價值。由于薄膜與基材之間存在界面結合和熱膨脹系數(shù)差異的問題，黑色陽極氧化和噴砂等傳統(tǒng)技術遇到了氧化層剝離、發(fā)黑一致性差、吸光能力和使用壽命有限等困難。與傳統(tǒng)的化學方法相比，在金屬表面制備微/納米減反射結構具有反射率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。在此之前的研究已經(jīng)提出了各種技術來在金屬表面產(chǎn)生調(diào)節(jié)的抗反射微/納米結構，例如化學蝕刻、機械開槽、反應離子蝕刻和長脈沖激光加工。

超快激光制造技術具有操作簡單、空間加工靈活、加工精度高、環(huán)境友好等優(yōu)點，是制備增透光陷光結構表面較為理想的制造技術之一。通過使用超快激光，獲得黑色或有色金屬（如鋁、金、鉑、鎢、銅、鈦和不銹鋼），其典型反射率從紫外到近紅外約為 5%–15%光譜范圍。

通過優(yōu)化激光加工參數(shù)或與其他技術相結合，可以實現(xiàn)較低的反射率。然而，很少有研究能簡單有效地實現(xiàn)金屬表面的寬帶效率和超低平均反射率性能。在該研究中，來自西光所的研究人員提出了一種通過調(diào)整飛秒激光參數(shù)在金屬表面制造微/納米混合結構的有效且簡單的方法。他們研究了激光能量密度、掃描間隔和偏振對表面形貌和平均反射率的影響并詳細討論了微/納米結構的演變和形成。

研究人員在實驗中使用尺寸為25毫米× 25毫米× 10毫米的 TC7 鈦合金樣品。在激光處理之前，樣品的機械拋光表面在超聲波清洗器中用無水乙醇和去離子水清洗。對于金屬表面改性，采用具有高重復率 (1 MHz) 和最高功率 (20 W) 的工業(yè)飛秒激光器（來自 Light Conversion，立陶宛的 Pharos-20 W）。

▲圖1. 飛秒激光器在焦平面上制造的微/納米結構圖像。激光功率和掃描速度分別為 20 W 和 50 mm/s。

▲圖2. 不同離焦距離下飛秒激光誘導的微納結構形貌：(a). 1.60 mm；(b). 1.62 毫米；(c) 1.64 毫米；(d) 1.66 毫米；(e) 1.68 毫米

飛秒激光器在不同離焦距離下制造的表面形貌的變化最終導致樣品反射率的差異。圖3說明了飛秒激光器在不同離焦距離下制造的樣品的反射光譜。與表面帶有微槽的樣品的4.78%相比，在1.64 mm離焦距離下制造的樣品在250 nm至2300 nm光譜范圍內(nèi)的平均反射率接近3.43%。隨著離焦距離進一步增加到 1.66 mm，平均反射率繼續(xù)下降到 3.19%，這是由于微納米結構的進一步雜化以及深達 78 µm 的微納米結構數(shù)量顯著增加。這表明混合微/納米結構比周期性分布具有更好的光吸收效果。

▲圖3. 飛秒激光器在不同離焦距離下制備的樣品的反射光譜

由于激光光斑沿水平方向的重疊不變，微/納米結構仍然是混雜的不規(guī)則分布，包含微孔、突起、空腔等。如圖4所示。然而，微/納米結構的排列周期、數(shù)量和深度需要進一步研究。

▲圖4. 飛秒激光在不同掃描間隔下制備的微/納米混合結構的 SEM 圖像：(a) 50 µm；(b) 40 微米；(c) 30 微米；(d) 20 µm

▲圖5. 不同掃描間隔的混合微/納米結構的三維形貌：(a) 50 µm；(b) 40 微米；(c) 30 微米；(d) 20 µm

▲圖7. 圓偏振激光制備的黑化樣品及其形貌

總之，研究人員實驗證明：(1). 飛秒激光制備的樣品在不同的激光加工參數(shù)下形貌變化較大；(2). 在 250-2300 nm 光譜帶中可以實現(xiàn) 2% 的超低平均反射率，在紫外波段可以實現(xiàn)最低 1.5% 的反射率。該方法具有簡單、高效的優(yōu)點，可用于制備大面積、高一致性的吸光金屬表面，具有實際應用價值。