用纳秒激光脉冲获得飞秒激光表面结构

通常，材料本身决定其表面的性质。例如，表面的润湿性取决于化学成分，表面氢键的可能性和其他几个方面。为了改变一种材料的表面性质，用特殊涂料涂覆是一种常规技术，例如用散热器漆增加散热器的辐射率。尽管用不同的材料涂覆表面以优化其表面性能是一种非常简单的方法，但也会出现一些问题。涂层在块状材料上的附着力可能不稳定，涂层可能会脱落。此外，散装材料和涂层的物理性能通常是不同的。例如，如果涂上涂料，可接受的温度范围会大大降低。对于在极端环境中的应用，如太空或核电站，使用认证材料，第二层物质需要新的认证。

飞秒激光表面结构提供了一种不同的技术来控制块体材料的表面性质。复杂的纳米和微观结构极大地改变了其表面性质。一个常见的例子是荷叶效应，它提供了超疏水性。飞秒激光结构表面的典型例子是覆盖着微锥(凸起或柱子)的金属。这些锥体可以充当光陷阱，表面呈现深黑色(“黑色金属”)，尽管表面的化学成分没有因结构过程而改变。因此，粘附不是问题，热稳定性以及在极端条件下的稳定性，如放射性，就像散装材料一样好。除了被吸收的光外，飞秒激光结构还可以处理一些表面参数。例如，从超亲水到超疏水或热发射率为100%的金属表面。在微结构过程中，表面面积大约增加了100倍。大的表面积使得飞秒激光结构材料有了进一步的应用，例如用于水电解的高效电极和催化剂载体，例如用于液体有机氢载体的脱氢。

虽然飞秒激光处理材料的表面结构优异，但该技术与振动和灰尘敏感，敏感，以朝向高功率系统的尺寸敏感，这需要水冷和稳定的环境条件。Femtosecond激光设置的临界点是在FemtoSecond脉冲长度期间处理极端峰值激光输出功率，从而应力光学部件。相比之下，纳秒激光系统常规用于工业;它们是坚固，稳定，风冷的，对温度变化和振动不敏感。纳秒激光设定的要求较低的要求越来越容易通过较长的脉冲长度来解释100.000。因此，激光峰值功率相应地减小。虽然较长的脉冲长度可防止对光学部件的损坏，但对目标材料的影响显着不同于飞秒激光脉冲。靶表面上的飞秒激光脉冲辐射导致散装材料的相爆和立即蒸发，伴随着颗粒重新沉积。在这些条件下，形成激光诱导的周期性表面结构（嘴唇）。通常，首先形成周期性的涟漪，其慢慢地发展以随着表面上的每个斑点的脉冲数量越来越多地进化。 These surface structures provide the unique surface properties as discussed above. In contrast, nanosecond laser pulses lead to melting processes on the surface and molten droplets resolidifying on the surface in the form of larger trenches.

为了实现飞秒激光脉冲在纳秒激光脉冲辐照下获得的表面结构，我们研究了在激光成形过程中向工艺气氛中加入反应气体。在这种情况下，激光烧蚀和蚀刻工艺的结合形成了表面的结构图案。随着反应气体与块状材料反应产生低沸点的产物，材料烧蚀得到强烈增强。例如，在激光构造钛的过程中，在工艺气体气氛中加入溴，可以用皮秒激光脉冲实现均匀的微圆锥表面。此外，在有少量碘作为反应物质存在的情况下，用纳秒激光脉冲可以实现铝表面均匀覆盖锐微锥(见标题图片)的激光结构过程。在这两种情况下，低沸点的金属卤化物很容易从大块金属表面蒸发。由于脉冲相对较长，爆炸材料的蒸发几乎不存在，加工室，特别是入射激光束的玻璃窗口，保持清洁，较大表面的结构只受加工室尺寸的限制。

在低数量的反应气体存在的情况下，用纳秒激光脉冲进行表面结构可以提供一个竞争的途径，通常用飞秒激光脉冲获得表面结构。特别是，光纤激光器的设置是方便的激光源，以扩大过程的高功率设置和更大的表面。反应气体的选择取决于目标材料，必须根据反应活性和反应产物的沸点等物理参数进行评估。