複旦大學信息科學與(yu) 工程學院、上海工程技術大學材料工程學院、上海市先進激光製造技術協同創新中心的科研人員報道了近場調控超快激光超波長結構直接加工超硬金屬玻璃。相關(guan) 論文以“Near-Field-Regulated Ultrafast Laser Supra-Wavelength Structuring Directly on Ultrahard metallic Glasses”為(wei) 題發表在《Advanced Materials》上。

超快激光-物質相互作用實現了“自上而下”的激光表麵結構化，尤其適用於(yu) 難加工材料的“自下而上”自組織特征構建。通過施加正/負反饋機製，亞(ya) 波長激光誘導結構的缺陷和長程有序性得到改善。然而，與(yu) 複雜熱/流體(ti) 動力學更相關(guan) 的超波長激光結構化研究仍鮮有報道。本研究首次開發了近場調控超快激光光刻技術，直接在超硬金屬玻璃上製備出自排列超波長微/納米孔陣列。預結構上的等離子體(ti) 熱點作為(wei) 正反饋，限定了橫向幾何特征（位置、尺寸）；同時，在特定飛秒激光輻照下，通過光動力等離子體(ti) 燒蝕和Marangoni材料去除的負反饋機製，實現微/納米孔陣列的自組織鑽孔。研究了多物理場轉換（基於(yu) 雙溫模型）、遠場/近場耦合以及激光-物質相互作用中偏振依賴性的機理和有限元建模。製備出大麵積（厘米級及以上）可調周期（1-5 µm）和幾何形貌（343/515/1030 nm激光分別對應500 nm-6 µm孔徑）的微/納米孔陣列，使2.5-6.5 µm中遠紅外反射率從(cong) ≈80%降至≈5%。多物理場耦合與(yu) 近場增強的普適性使該方法具有廣泛適用性。

圖1、a)近場調控超快激光光刻示意圖（激光波長=1030 nm）；

b)飛秒激光掃描策略示意圖（光斑直徑=25 µm）與(yu) 實際加工效果：

場景i-低能量累積完全重疊掃描、

場景ii-高能量累積完全重疊掃描、

場景iii-錯位掃描（間距Δy=10 µm）；

c)種子結構近場增強電磁場分布模擬（截麵取自a圖黃線位置）；

d)微/納米孔陣列構成的複旦校徽圖案（可見光與(yu) 紅外圖像，右箭頭顯示標誌溫度測量值）；

e)激光誘導周期表麵結構（LIPSS）構成的校徽圖案（可見光與(yu) 紅外圖像）；

f)表麵微/納結構金屬玻璃的紅外熱成像測量。

圖2、a)單點曝光模式下金屬玻璃表麵LIPSS形貌演變與(yu) 模擬（f=10 kHz, φ=0.02 J cm^-2, λ=1030 nm）激光脈衝(chong) 數：(i)5, (ii)50, (iii)100, (iv)200；

b)不同激光累積通量下LIPSS表麵溫度分布曲線；

c)完全重疊掃描模式下微/納結構隨激光功率演變（f=10 kHz, v=60 mm/s, n=50, λ=1030 nm）激光功率：(i)3, (ii)6, (iii)8, (iv)16, (v)22, (vi)28, (vii)34, (viii)46 mW；

d)微/納米孔形成過程中的溫度場與(yu) 流場模擬。

圖3、a)典型偏振角0°/45°/90°下的LIPSS、SWPSS與(yu) 自排列微/納米孔形貌；

b)激光偏振角（0°-360°）對自排列微/納米孔的影響；

c)不同偏振角下微/納米孔尺寸與(yu) 間距統計（n=15）；

d)極坐標加工對自排列微/納米孔的影響；

e)不同角速度下微/納米孔尺寸與(yu) 間距統計（n=15）。

圖4、a)完全重疊掃描（1030 nm）：單排自排列微/納米孔

b)完全重疊掃描（1030 nm）：大麵積自排列微/納米孔陣列

c)基於(yu) SWPSS種子結構的近場電磁波沉積模型（1030 nm）：俯視圖

d)錯位掃描（1030 nm）：單排自排列微/納米孔

e)錯位掃描（1030 nm）：大麵積自排列微/納米孔陣列

f)基於(yu) SWPSS的近場電磁沉積模型（1030 nm）：截麵圖

g)不同激光累積通量下微/納米孔間距統計（1030 nm, n=15）

h)不同激光累積通量下微/納米孔尺寸統計（n=15）

i)343 nm（光斑8 µm, Δy=5 µm）/515 nm（光斑16 µm, Δy=9 µm）/1030 nm（光斑25 µm, Δy=10 µm）激光波長下的微/納米孔形貌

j)不同波長下微/納米孔尺寸/間距及其與(yu) SWPSS的比值統計（均值±標準差，n=15）

圖5、a)強紅外輻照下不同微/納結構表麵熱成像

b)不同微/納結構表麵的紅外波段反射率

c)入射角對不同微/納結構表麵熱成像的影響

d)弱紅外輻照下不同微/納結構表麵熱成像

e)不同微/納結構表麵紅外測溫對比（均值±標準差，n=15）

f)入射角對強紅外輻照下反射強度的影響（均值±標準差，n=15）

g)冷卻過程中不同微/納結構表麵熱成像

h)不同微/納結構的冷卻曲線

i)原始樣品與(yu) 不同表麵樣品的溫差

本研究首次利用近場調控超快激光打印技術，在金屬玻璃上製備出自排列亞(ya) 波長微/納米孔紅外調控表麵。通過精確調控激光參數，成功在鋯基金屬玻璃上製備了LIPSS和SWPSS結構，並以SWPSS作為(wei) 種子結構誘導生長出自排列微/納米孔。基於(yu) 局域表麵等離子體(ti) 共振（LSPR）遠場/近場耦合機製，將種子結構上的LSPR熱點作為(wei) 正反饋，特定飛秒激光波長與(yu) 輻照能量下的光動力等離子體(ti) 燒蝕和光熱Marangoni材料去除作為(wei) 負反饋，實現了自排列微/納米孔的可控製備。通過建立金屬玻璃電子-離子傳(chuan) 熱雙溫模型和基於(yu) LSPR機製的電磁場沉積模型，揭示了高規整微/納米孔陣列的形成機理。采用多波長（1030/515/343 nm）飛秒激光製備了周期可調（1-5 µm）、尺寸可控（直徑3-6 µm/1-2 µm/500-800 nm）的微/納米孔陣列。基於(yu) LIPSS虹彩效應創造了多樣化結構色圖案，利用微/納米孔表麵低紅外反射特性（2.5-6 µm波段≈5%反射率）製備了大麵積（厘米級及以上）可定製紅外抗反射表麵。這種基於(yu) 近場調控超快激光光刻的超波長功能表麵在光學調控（特別是紅外波段）領域具有應用潛力，其多物理場耦合與(yu) 近場增強的普適性可推廣至其他難加工材料的超波長微/納結構功能表麵製備。