飞秒激光制备金属表面微纳结构及其技术应用

摘要：飞秒激光技术因其超短脉冲和高精度特性，在金属表面微纳结构制备中展现出独特优势。通过精确控制激光参数，可在金属表面形成多种微纳结构，如周期性纹理、纳米孔阵列等。这些结构赋予金属表面新的光学、润湿和传热特性，广泛应用于光学器件、防覆冰材料、高效沸腾传热等领域。本研究探讨了飞秒激光制备金属表面微纳结构的方法、特性及应用前景，为金属表面功能化提供了新的思路和技术路径。

关键词：飞秒激光；表面微纳结构

在科技日新月异的今天，飞秒激光技术以其独特的高精度与超短脉冲特性，正逐步成为材料科学领域中的一颗璀璨明星。尤其在金属表面微纳结构的制备上，飞秒激光技术展现出了前所未有的潜力与优势。通过精确调控激光的参数，科学家们能够在金属表面创造出各种精细复杂的微纳结构，这些结构不仅形态各异，更赋予了金属表面全新的物理和化学性质。本文将深入探讨飞秒激光在金属表面微纳结构制备中的具体应用及其所带来的技术革新，以期为该领域的研究者和应用者提供有益的参考与启示。

一、飞秒激光制备金属表面微纳结构的基本原理

飞秒激光制备金属表面微纳结构的基本原理，主要基于飞秒激光与金属材料的独特相互作用。飞秒激光的脉冲时间极短，仅为飞秒级别，能量却极强。当这种高能量的飞秒激光脉冲照射到金属表面时，其能量会迅速被金属表面的电子吸收，导致电子温度急剧升高，而晶格温度则相对滞后，形成瞬态的双温系统。随着电子与晶格之间的热交换，晶格温度逐渐升高，当达到熔点时，金属开始熔化，若能量继续累积，则会发生烧蚀，形成微小的孔洞或凸起结构。飞秒激光的这种高精度加工能力，使得我们可以在金属表面创造出各种精细的微纳结构。通过调整激光的功率、频率、扫描速度等参数，我们可以控制烧蚀的深度、宽度以及形状，从而制备出具有特定功能的微纳结构。这些结构在光学、润湿、传热等方面展现出独特的性能，为金属表面的功能化提供了新的可能性。

二、飞秒激光制备金属表面微纳结构的方法与技术

（一）直接飞秒激光烧蚀法

飞秒激光制备金属表面微纳结构的方法中，直接飞秒激光烧蚀法是一种重要且高效的技术手段。该方法利用飞秒激光的超短脉冲和高能量密度特性，直接对金属表面进行烧蚀处理，从而创造出所需的微纳结构。在直接飞秒激光烧蚀过程中，飞秒激光脉冲通过透镜聚焦到金属样品表面，激光能量被金属表面的电子迅速吸收，导致局部区域的温度升高并发生熔化或烧蚀。通过精确控制激光的参数，如功率、频率、脉冲宽度以及扫描速度等，可以实现对烧蚀过程的精细调控，从而在金属表面形成各种形状和尺寸的微纳结构。此外，直接飞秒激光烧蚀法还具有加工精度高、适应性强、无需掩膜和洁净室环境等优点，使得该技术能够广泛应用于各种金属材料的微纳结构制备[1]。

（二）其他飞秒激光技术

除了直接飞秒激光烧蚀法，飞秒激光制备金属表面微纳结构还涵盖了多种其他先进技术。其中，掩模投影技术通过预先设计的掩模图案，将飞秒激光脉冲投影到金属表面，实现大面积、高精度的微纳结构制备。这种方法特别适用于需要复杂图案或周期性结构的场合。近场烧蚀技术则利用飞秒激光在近场范围内的强能量密度，对金属表面进行超精细加工。通过调整激光焦点与样品表面的距离，可以精确控制烧蚀深度和形状，制备出具有特殊功能的微纳结构。激光辅助化学蚀刻技术结合了飞秒激光的物理烧蚀作用和化学蚀刻的化学溶解作用，通过两者的协同作用，实现更高效的微纳结构制备。这种方法特别适用于需要复杂三维结构的场合。此外，还有通过飞秒激光烧蚀羽的沉积实现纳米织构，以及通过飞秒激光诱导熔体实现金属薄膜的纳米结构等技术。这些方法各有特点，可以根据具体需求选择合适的加工手段，以实现最佳的微纳结构制备效果。

（三）微纳结构的分类与特点

飞秒激光制备金属表面微纳结构的方法与技术，依据所形成微纳结构的特性，可以划分为多个类别，每一类都展现出独特的功能与应用潜力。

一是激光诱导的周期性和准周期性结构是其中的一大类，这些结构通常呈现出规则的沟槽或波纹形态，其周期与激光波长相关，并垂直于入射光的偏振方向。这类结构在光学衍射、表面增强拉曼散射等领域具有广泛应用。二是单个纳米孔和纳米孔阵列结构，通过精确控制飞秒激光的参数，可以在金属表面形成均匀分布的纳米级孔洞，这些孔洞在过滤、传感等方面展现出独特性能。三是各种受控的不规则纳米结构，如纳米腔、纳米球、纳米突起和纳米线等，这些结构形态各异，可根据具体需求进行定制。它们在增强光学吸收、改善润湿性等方面具有显著效果。四是纳米结构纹理微结构也是飞秒激光制备的重要方向之一，这类结构结合了微尺度与纳米尺度的特征，形成复杂的表面形貌，有助于提升材料的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性等。这些微纳结构的特点在于其高度的可控性、精确性和多样性。飞秒激光技术能够实现对结构尺寸、形状和分布的精细调控，满足不同领域对材料性能的特殊需求。同时，由于飞秒激光的非接触加工特性，所制备的微纳结构不会引入额外的污染或损伤，保持了金属材料的原有性能。

三、飞秒激光制备金属表面微纳结构的应用

（一）光学性质改变与“黑色金属”的制备

飞秒激光制备金属表面微纳结构在改变材料光学性质方面展现出了非凡的能力，其中最为引人注目的应用之一便是“黑色金属”的制备。“黑色金属”的制备过程中，飞秒激光不仅能够在金属表面直接“雕刻”出精细的光栅沟槽或柱形结构，还能通过调整激光参数，如能量密度、扫描速度和扫描间距，精确控制结构的尺寸、形状和分布，从而优化光吸收性能。实验表明，经过飞秒激光处理的金属，如铝、镍、钼等，在宽光谱范围内反射率可降至10%以下，甚至在某些波段达到低于1%的超低反射率，实现了从高反射到高吸收的显著转变[2]。

（二）结构着色与多彩金属表面的创造

飞秒激光制备金属表面微纳结构在结构着色与多彩金属表面的创造方面，为材料科学和设计领域带来了革命性的突破。飞秒激光通过精确控制激光参数，如脉冲能量、重复频率、扫描速度和聚焦条件，能够在金属表面形成复杂的微纳结构，如光栅、凹坑、凸起等。在应用领域，飞秒激光制备的多彩金属表面已被广泛应用于艺术品制作、时尚配饰、建筑装饰、汽车制造等多个领域。例如，在艺术品制作中，通过飞秒激光着色技术，可以在金属表面创造出细腻而丰富的色彩渐变效果，增强作品的视觉冲击力和艺术表现力；在时尚配饰领域，多彩金属表面不仅提升了产品的美观度，还满足了消费者对个性化和时尚感的需求。

（三）润湿性能调控与新型材料的生产

飞秒激光制备金属表面微纳结构在润湿性能调控方面展现出显著优势，为新型材料的生产开辟了新途径。通过精细调控金属表面的微纳结构形态，如形成微孔、微槽或纳米柱阵列，飞秒激光技术能够显著改变金属表面的亲疏水性，实现从超亲水到超疏水的宽范围调控。在自清洁材料、防腐蚀涂层、液体传输系统等领域具有广泛应用潜力，推动了高性能、多功能新型材料的研发与生产，为材料科学的发展注入了新的活力。

（四）沸腾传热应用

飞秒激光制备的金属表面微纳结构在沸腾传热应用中表现出卓越性能。通过在金属表面构建如柱状、波纹状、孔状和槽状等微纳结构，可以显著提高沸腾传热过程中的临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC），从而提升散热效率。

结语

总之，飞秒激光制备金属表面微纳结构技术，以其高精度、高效率和非接触加工的独特优势，为材料表面功能化开辟了新路径。通过精确调控微纳结构，不仅显著改变了金属的光学、润湿和传热性能，还推动了新型功能材料和器件的研发。展望未来，飞秒激光技术将在更多领域展现其潜力，为科技进步和材料创新提供强大动力。

参考文献

[1]赵强，万辉，于圣韬，等. 飞秒激光制备柔性纳米多孔Ag材料的研究[J]. 中国激光， 2021， 48（8）： 0802009.

[2]李晨，程光华，Stoian R. 飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的研究[J]. 光学学报，2016 （5）： 312-318.