一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法。該方法包括以下步驟：用皮秒脈沖激光輻照金屬表面；經(jīng)過激光燒蝕去除，以及所述金屬表面在所述皮秒脈沖激光的誘導(dǎo)作用下的自組裝，在所述金屬表面得到微納米雙尺度結(jié)構(gòu)，至此即實(shí)現(xiàn)對所述金屬表面吸光性能的調(diào)控。本發(fā)明充分發(fā)揮了皮秒激光制備規(guī)則或隨機(jī)分布微米結(jié)構(gòu)以及形成自組裝納米結(jié)構(gòu)的能力，且加工過程靈活可控，加工成本低、效率高，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的對金屬表面的吸光性能進(jìn)行調(diào)控的方法。
【專利說明】一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種調(diào)控金屬表面吸光性能的方法，具體涉及一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬表面通常對可見光和紅外光有高的反射率。對金屬表面進(jìn)行特定的處理，使其在全光譜或特定光譜范圍內(nèi)反射率明顯下降，達(dá)到高效寬光譜吸收或選擇性吸收的效果，這種高效吸收表面在光子學(xué)、等離子體光子學(xué)、光電子學(xué)、超材料、隱身技術(shù)、熱輻射源、輻射傳熱設(shè)備、太陽能吸收器、熱光伏器件、紅外傳感、生物學(xué)器件、以及機(jī)載/星載設(shè)備等諸多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價值，多年來引起研究者們的高度關(guān)注。
[0003]在降低金屬表面反射率、提高吸收率，或調(diào)控其吸光性能方面已有不少報道并發(fā)展了許多方法。其中涂層法是發(fā)展最早和最成熟的方法，包括各種多層薄膜涂層、納米管、納米棒涂層等。涂層法對涂層材料具有依賴性，其穩(wěn)定性較低、附著力較差，制備過程需要真空操作且步驟多，限制了其應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，蛾眼具有獨(dú)特的亞波長微納米結(jié)構(gòu)和顯著的抗反射效果。在材料表面制備出類似蛾眼的仿生結(jié)構(gòu)來達(dá)到抗反射的目的成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)方向之一。這類仿生制備技術(shù)主要包括:等離子體刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕、電子束光刻、快速原子束刻蝕等等。經(jīng)仿生制備得到的抗反射亞波長結(jié)構(gòu)比外加涂層方法更加穩(wěn)定、效果更好、壽命更長，但上述制備技術(shù)往往需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的加工過程，制備面積小、效率低、成本高。
[0004]近年，美國羅切斯特大學(xué)研究組用飛秒激光處理高反射率金屬(如Au，Ag，Pt，Ti，Al，W等)表面，制備了周期約為100 μ m的溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽表面還存在飛秒激光誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)，這種金屬表面微納米結(jié)構(gòu)使其光學(xué)吸收率達(dá)到了 85%~95%、高吸收光譜范圍擴(kuò)展到250~2500nm，被稱為“黑色金屬”。英國敦提大學(xué)研究組用納秒激光在Cu表面制備了周期為40~80 μ m的微米錐陣列結(jié)構(gòu)，微錐表面覆蓋有一定的亞微米結(jié)構(gòu)以及納米顆粒團(tuán)簇，在250~750nm波段的平均吸收率達(dá)到了 97%，在750~2500nm波段內(nèi)不超過30%。金屬表面微納米雙尺度結(jié)構(gòu)可以同時發(fā)揮亞波長尺度結(jié)構(gòu)的表面等離子體吸收作用和微米尺度結(jié)構(gòu)的幾何陷光作用，為實(shí)現(xiàn)金屬表面的高抗反射性能提供了新思路。目前存在的主要問題在于:飛秒激光系統(tǒng)成本高、環(huán)境要求嚴(yán)苛、使用維護(hù)難度大、加工效率低、難以實(shí)現(xiàn)大面積加工；納秒激光系統(tǒng)雖然成本低、效率高，但其形成微納米雙尺度結(jié)構(gòu)，特別是納米結(jié)構(gòu)的能力有限，難以實(shí)現(xiàn)對金屬表面吸光性能的有效調(diào)控。
[0005]皮秒激光系統(tǒng)在高效形成微米結(jié)構(gòu)的同時保留了超短脈沖激光的納米結(jié)構(gòu)形成能力，同時較之飛秒激光系統(tǒng)而言，其成本低、操作維護(hù)容易，是一種工程化的微納米加工手段。但此類激光目前主要局限于打孔、切割等去除加工領(lǐng)域，在表面微納米結(jié)構(gòu)，特別是表面微納米光學(xué)功能結(jié)構(gòu)的制造和應(yīng)用領(lǐng)域，其潛能尚未得到足夠的認(rèn)識。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法，該方法利用皮秒脈沖激光在金屬表面制備出微納米雙尺度結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控皮秒激光參數(shù)以及激光束和金屬表面之間的相對運(yùn)動，對微納米雙結(jié)構(gòu)的形貌特征和尺度特征進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對金屬表面的吸光性能的調(diào)控。
[0007]本發(fā)明所提供的一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法，包括以下步驟:
[0008]用皮秒脈沖激光輻照金屬表面；經(jīng)過激光燒蝕去除，以及所述金屬表面在所述皮秒脈沖激光的誘導(dǎo)作用下的自組裝，在所述金屬表面得到微納米雙尺度結(jié)構(gòu)，至此即實(shí)現(xiàn)對所述金屬表面吸光性能的調(diào)控。
[0009]本發(fā)明方法中的“激光燒蝕去除”是指當(dāng)脈沖激光能量密度超過某種材料的燒蝕閾值時，激光作用區(qū)內(nèi)材料表面出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象，形成材料的去除，去除量取決于激光參數(shù)；材料的燒蝕閾值與材料特性和脈沖激光參數(shù)如脈沖寬度等有關(guān)。
[0010]本發(fā)明方法中的“自組裝”是指在脈沖激光能量的誘導(dǎo)下，金屬材料自身發(fā)生復(fù)雜的融化、凝固、蒸發(fā)、沉積等過程，這些過程相互交叉，在金屬表面形成特定形式的亞結(jié)構(gòu)，亞結(jié)構(gòu)的形狀尺度不取決于激光與金屬材料之間的相對運(yùn)動形式，而由金屬材料自身的特性和脈沖激光的性質(zhì)所決定。
[0011]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述皮秒脈沖激光可為紅外光、可見光或紫外光； [0012]所述皮秒脈沖激光的脈沖寬度可為0.9~20皮秒，具體可為10皮秒，重復(fù)頻率可為IKHz~4MHz，具體可為IOOKHz~IMHz、IOOKHz、200KHz或IMHz，平均功率可為IW~400W,具體可為 18W ~85W、18W、35W 或 85W。
[0013]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述金屬可為下述任一種:
[0014]I)金、銀、鉬、銅、鈦、鎳、鎂或鋁等金屬單質(zhì)；
[0015]2)金、銀、鉬、銅、鈦、鎳、鎂和鋁等金屬單質(zhì)中任兩種或三種組成的二元合金或三元合金；
[0016]3)不銹鋼、模具鋼或高速鋼等常用鋼材。
[0017]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述皮秒脈沖激光采用單點(diǎn)輻照的方式輻照所述金屬表面，且單點(diǎn)輻照的金屬表面的面積不小于100 μ m2。
[0018]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述皮秒脈沖激光采用振鏡掃描的方式輻照所述金屬表面。
[0019]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述皮秒脈沖激光通過振鏡掃描和數(shù)控X-Y平臺配合的方式輻照所述金屬表面。
[0020]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述振鏡掃描的掃描路徑可為下述I)和
2)中任一種:
[0021]I)所述振鏡掃描的掃描路徑為平行線、交叉線或螺旋線；所述振鏡掃描的掃描間距為 I μ m ~100 μ m，具體可為 5 μ m ~50 μ m、5 μ m、10 μ m、20 μ m、30 μ m 或 50 μ m，掃描速度為 1mm/s ~10m/s,具體可為 10mm/s ~500m/s、10mm/s、25mm/s、50mm/s、200mm/s 或 500mm/s ；
[0022]2)所述振鏡掃描的掃描路徑為點(diǎn)陣；所述振鏡掃描的點(diǎn)間距為I μ m~100 μ m，單點(diǎn)作用脈沖數(shù)為I~2X106。
[0023]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，所述微納米雙尺度結(jié)構(gòu)包括微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)；
[0024]所述微米結(jié)構(gòu)為微米凸起和/或微米凹坑規(guī)則或隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)，如微米凸起和微米凹坑隨機(jī)間隔分布的特征結(jié)構(gòu)、微米凸起和微米凹坑規(guī)則周期間隔分布的特征結(jié)構(gòu)、微米凸起隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)或微米凸起規(guī)則分布的特征結(jié)構(gòu)；
[0025]所述微米凸起與所述微米凹坑之間的間距可為1~100 μ m ;
[0026]所述微米凸起可為圓柱形、圓錐形、圓臺形或不規(guī)則外形，其橫向尺寸可為I~100 μ m,高度可為1~100 μ m ；
[0027]所述微米凹坑的形狀可為圓形或不規(guī)則橢圓輪廓，其橫向尺寸可為I~ΙΟΟμπι，深度可為I~100 μ m ;
[0028]所述納米結(jié)構(gòu)為自組裝在所述微米凸起和/或所述微米凹坑表面上的納米波紋、納米顆?；蚣{米顆粒的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)；
[0029]所述納米波紋的周期可為100~l000nm，所述納米波紋的隆起高度可為10~1000nm,所述納米波紋的延伸長度可為IOOnm~10 μ m ;
[0030]所述納米顆?？蔀榍蛐?、多邊形或其它不規(guī)則外形，所述納米顆?；蚱鋱F(tuán)簇的大小可為I~1000nnio
[0031]上述調(diào)控金屬表面吸光性能的方法中，在輻照所述金屬表面之前，還包括如下步驟:首先去除所述金屬表面上的氧化層，然后用手工砂紙打磨或機(jī)械磨削加工的方法處理所述金屬表面，使其具有一定的光澤度，最后用丙酮或酒精清洗所述金屬表面。
[0032]通過本發(fā)明方法制備可制備得到金屬表面微納米雙尺度結(jié)構(gòu)；
[0033]所述微納米雙尺度結(jié)構(gòu)包括微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)；
[0034]所述微米結(jié)構(gòu)為微米凸起和/或微米凹坑規(guī)則或隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)；
[0035]所述微米凸起與所述微米凹坑之間的間距可為I~100 μ m ;
[0036]所述微米凸起可為圓柱形、圓錐形、圓臺形或不規(guī)則外形，其橫向尺寸可為I~100 μ m,高度可為I~100 μ m ；
[0037]所述微米凹坑的形狀可為圓形或不規(guī)則橢圓輪廓，其橫向尺寸可為I~ΙΟΟμπι，深度可為I~100 μ m ;
[0038]所述納米結(jié)構(gòu)為自組裝在所述微米凸起和/或所述微米凹坑表面上的納米波紋、納米顆?；蚣{米顆粒的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。
[0039]所述納米顆粒可為球形、多邊形或其它不規(guī)則外形，所述納米顆粒或其團(tuán)簇的大小可為I~1000nnio
[0040]通過本發(fā)明的方法可調(diào)控金屬表面具有如下的吸光性能:寬譜吸收性能、躍變吸收性能、帶通濾波性能、選擇性吸收性能和線性吸收性能等。
[0041]本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0042]1、本發(fā)明通過調(diào)控皮秒脈沖的功率、脈寬、頻率、波長等參數(shù)，并通過調(diào)控激光束與金屬表面之間的相對運(yùn)動軌跡及運(yùn)動速度，可以在金屬表面制備出微米凸起和/或微米凹坑規(guī)則或隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)；在形成微米結(jié)構(gòu)的同時，在微米凸起及微米凹坑的表面會自組裝形成納米波紋或納米顆粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)；本發(fā)明是一種有效地制備微納米雙尺度結(jié)構(gòu)，并對其形貌特征和尺度特征進(jìn)行調(diào)控的方法。
[0043]2、本發(fā)明采用了高平均功率高重復(fù)頻率的皮秒脈沖激光，可以通過掃描振鏡，實(shí)現(xiàn)對金屬表面的高速處理，是一種對金屬表面進(jìn)行高效微納米結(jié)構(gòu)化的方法。
[0044]3、本發(fā)明既可以通過振鏡掃描和樣品臺運(yùn)動的方式對大面積的金屬表面進(jìn)行處理，又可以通過對激光的傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對金屬樣品特定區(qū)域的處理，具有很好的加工適應(yīng)性。
[0045]4、本發(fā)明工序簡單，所用皮秒激光系統(tǒng)相對于飛秒激光系統(tǒng)等設(shè)備而言成本低，維護(hù)容易。
[0046]5、本發(fā)明可實(shí)施在任何金屬和合金表面，對金屬材料自身的硬度、強(qiáng)度等機(jī)械性能以及理化性能均無要求，具有廣泛的實(shí)用性。
[0047]6、經(jīng)本發(fā)明方法處理后，金屬表面在從紫外到紅外波長范圍內(nèi)的反射率會有不同程度的下降，從而實(shí)現(xiàn)對金屬表面吸光性能的調(diào)控。
[0048]綜上所述，本發(fā)明充分發(fā)揮了皮秒激光制備規(guī)則或隨機(jī)分布微米結(jié)構(gòu)以及形成自組裝納米結(jié)構(gòu)的能力，且加工過程靈活可控，加工成本低、效率高，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的對金屬表面的吸光性能進(jìn)行調(diào)控的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的銅表面的掃描電鏡圖。
[0050]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的銅表面的反射率曲線。
[0051]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的鋁表面的掃描電鏡圖。
[0052]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的鋁表面的反射率曲線。
[0053]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的鈦表面的掃描電鏡圖。
[0054]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的鈦表面的反射率曲線。
[0055]圖7是本發(fā)明實(shí)施例4制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的模具鋼表面的掃描電鏡圖。
[0056]圖8是本發(fā)明實(shí)施例4制備的具有不同微納米結(jié)構(gòu)的模具鋼表面的反射率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0057]下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0058]下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0059]本發(fā)明方法調(diào)控金屬表面吸光性能的基本原理是:皮秒脈沖激光既具有常規(guī)納秒脈沖激光高效加工微米結(jié)構(gòu)的能力，同時又具備超快激光自組裝形成納米結(jié)構(gòu)的能力。微米結(jié)構(gòu)可以通過“陷光”機(jī)制吸光，納米結(jié)構(gòu)可以通過梯度折射率機(jī)制或等離子體機(jī)制吸光。通過調(diào)控皮秒激光與金屬表面的作用過程，可以調(diào)控金屬表面的微納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺度特征，使以上吸光機(jī)制得到不同程度的體現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對金屬表面吸光性能的調(diào)控。
[0060]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0061]實(shí)施例1、皮秒脈沖激光調(diào)控銅表面吸光性能
[0062]銅是一種優(yōu)異的功能材料，尤其具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，在太陽能光電轉(zhuǎn)化、太陽能光熱轉(zhuǎn)化、傳感器等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，本實(shí)施例對銅表面進(jìn)行處理，包括以下步驟:
[0063]首先用機(jī)械打磨的方法去除銅表面的氧化層，然后用砂紙和拋光布打磨拋光，最后用酒精清洗銅表面。
[0064]本實(shí)施例選用的皮秒脈沖激光的中心波長為1064nm，脈寬為10皮秒。激光束經(jīng)振鏡實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)軌跡和偏轉(zhuǎn)速度由計算機(jī)控制，然后經(jīng)焦距為IOOmm的場景聚焦到厚度為3_的矩形金屬銅表面，焦斑直徑為30μπι。在激光束偏轉(zhuǎn)過程中，激光輻照區(qū)域可以形成微納米結(jié)構(gòu)。激光參數(shù)不同，偏轉(zhuǎn)軌跡不同，重復(fù)掃描次數(shù)不同，微納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺度會有很大變化，從而實(shí)現(xiàn)對大面積銅表面吸光性能的調(diào)控，具體如下:
[0065](I)當(dāng)激光平均功率為18W，脈沖頻率為100kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為ΙΟμπι，偏轉(zhuǎn)速度為25mm/s時，得到的是微米凸起和微米凹坑隨機(jī)間隔分布的特征結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡圖如圖1 (a)所示，在微米凸起和微米凹坑的表面覆蓋有發(fā)達(dá)的納米顆粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，尺寸約為100~500nm，其掃描電鏡圖如圖1 (b)所示。
[0066]原始銅表面為高反射表面，其反射率曲線如圖2中曲線(I)所示。經(jīng)處理制備出上述特征結(jié)構(gòu)后，銅表面的反射率在0.2 μ m~25 μ m波長范圍內(nèi)均降低至10%以下，如圖2中曲線(2)所示，是一種寬光譜高效吸收結(jié)構(gòu)。
[0067](2)當(dāng)激光平均功率為85W，脈沖頻率為1MHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為平行線，線間距為ΙΟμπι,偏轉(zhuǎn)速度為50mm/s時,得到的是微米突觸隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu),在微米突觸之間分布有微米間隙，其掃描電鏡圖如圖1 (C)所示，在微米突觸表面覆蓋有納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡圖如圖1 (d)所示。
[0068]上述特征結(jié)構(gòu)在紫外和可見光波長范圍內(nèi)的反射率均低于5%，進(jìn)入紅外波段后突變到20%，如圖2中曲線(3)所示，是一種具有躍變吸收性能的表面結(jié)構(gòu)。同時，其在I~20 μ m波長范圍內(nèi)，反射率在20%~30%之間，波長小于I μ m以及波長大于20 μ m時，反射率均下降至10%以下，表現(xiàn)出帶通濾波特性。
[0069](3)當(dāng)激光平均功率為18W，脈沖頻率為100kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為20 μ m，偏轉(zhuǎn)速度為500mm/s，重復(fù)掃描30次時，得到的是微米和亞微米顆粒隨機(jī)均勻分布的特征結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡圖如圖1 (e)所示，且多數(shù)顆粒的尺寸小于Ιμπι，其掃描電鏡圖如圖1 (f)所示。
[0070]上述特征結(jié)構(gòu)在紫外和可見光波長范圍內(nèi)的反射率均低于10%，進(jìn)入紅外波段后，反射率迅速增加至90%左右，如圖2中曲線(4)所示，是一種選擇性吸收結(jié)構(gòu)，可用作太陽能選擇性吸收體。
[0071](4)當(dāng)激光平均功率為18W，脈沖頻率為100kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為50微米，偏轉(zhuǎn)速度為500mm/s，重復(fù)掃描30次時，得到的是微米凸起和微米凹坑規(guī)則周期間隔分布的特征結(jié)構(gòu)，其掃描電鏡圖如圖1 (g)所示，在微米凸起和微米凹坑的表面覆蓋有納米波紋結(jié)構(gòu)，波紋周期約為500~lOOOnm，波紋的隆起高度約為50~100nm，波紋的延伸長度約為lOOOnm，其掃描電鏡圖如圖1 (h)所示。 [0072]上述特征結(jié)構(gòu)在0.5 μ m~2 μ m波長范圍內(nèi)的反射率具有線性變化趨勢，如圖2中曲線(5)所示，可用作傳感器。
[0073]實(shí)施例2、皮秒脈沖激光調(diào)控鋁表面吸光性能
[0074]鋁是一種優(yōu)異的輕金屬材料，在航空航天、建筑、汽車等領(lǐng)域都有著廣闊的用途。本實(shí)施例對鋁表面進(jìn)行處理，包括以下步驟:
[0075]用磨削方式去除鋁表面的氧化層，并使其表面達(dá)到一定的光潔度，然后用酒精清洗鋁表面。
[0076]本實(shí)施例選用的皮秒脈沖激光的中心波長為1064nm，脈寬為10皮秒。激光束經(jīng)振鏡實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)軌跡和偏轉(zhuǎn)速度由計算機(jī)控制，然后經(jīng)焦距為IOOmm的場景聚焦到厚度為2_的矩形鋁表面，焦斑直徑為30μπι。在激光束偏轉(zhuǎn)過程中，激光輻照區(qū)域可以形成微納米結(jié)構(gòu)。激光參數(shù)不同，偏轉(zhuǎn)軌跡不同，重復(fù)掃描次數(shù)不同，微納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺度會有很大變化，從而實(shí)現(xiàn)對大面積鋁表面吸光性能的調(diào)控。
[0077]當(dāng)激光平均功率為35W，脈沖頻率為200kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為5微米，偏轉(zhuǎn)速度為200mm/s時，在鋁表面形成微米凹坑隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)，凹坑直徑約為10~20 μ m，其掃描電鏡圖如圖3 (a)和圖3 (b)所示，可以看出凹坑內(nèi)壁和凹坑之間的區(qū)域覆蓋有發(fā)達(dá)的亞微米和納米尺度的亞結(jié)構(gòu)。
[0078]本實(shí)施例制備的特征結(jié)構(gòu)在250nm~2250nm波長范圍內(nèi)的平均反射率低至10%左右，其反射率曲線如圖4中曲線(2)所示，是原始鋁表面反射率(其反射率曲線如圖4中曲線(I)所示)的1/12~1/5，是一種全太陽光譜高效吸收結(jié)構(gòu)。
[0079]實(shí)施例3、皮秒脈沖激光調(diào)控鈦表面吸光性能[0080]鈦是一種優(yōu)異的輕金屬功能材料，在航空航天以及國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本實(shí)施例對鈦表面進(jìn)行處理，包括以下步驟:
[0081]用磨削方式去除鈦表面的氧化層，并使其表面達(dá)到一定的光潔度，然后用酒精清洗鈦表面。
[0082]本實(shí)施例選用的皮秒脈沖激光的中心波長為1064nm，脈寬為10皮秒。激光束經(jīng)振鏡實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)軌跡和偏轉(zhuǎn)速度由計算機(jī)控制，然后經(jīng)焦距為IOOmm的場景聚焦到厚度為2_的矩形鈦表面，焦斑直徑為30μπι。在激光束偏轉(zhuǎn)過程中，激光輻照區(qū)域可以形成微納米結(jié)構(gòu)。激光參數(shù)不同，偏轉(zhuǎn)軌跡不同，重復(fù)掃描次數(shù)不同，微納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺度會有很大變化，從而實(shí)現(xiàn)對大面積鈦表面吸光性能的調(diào)控。
[0083]當(dāng)激光平均功率為35W，脈沖頻率為200kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為ΙΟμπι,偏轉(zhuǎn)速度為50mm/s時,在鈦表面形成不規(guī)則微米凹坑隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)，凹坑尺寸約為10~50 μ m，其掃描電鏡圖如圖5 (a)和(b)所示，在微米凹坑內(nèi)壁和凹坑之間的區(qū)域覆蓋有發(fā)達(dá)的納米顆粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，尺寸約為300~800nm,如圖5 (c)和(d)所示。
[0084]本實(shí)施例制備的特征結(jié)構(gòu)在250nm~2250nm波長范圍內(nèi)的平均反射率低至5%左右，其反射率曲線如圖6中曲線(2)所示，是原始鈦表面反射率(其反射率曲線如圖6中曲線(I)所示)的1/10~1/5，是一種全太陽光譜高效吸收結(jié)構(gòu)。
[0085]實(shí)施例4、皮秒脈沖激光調(diào)控H13模具鋼表面吸光性能
[0086]在模具鋼表面加工出微納米結(jié)構(gòu)，可以通過后續(xù)的復(fù)型工藝把微納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其他的材料上，實(shí)現(xiàn)微納米功能結(jié)構(gòu)的大批量制造。本實(shí)施例對H13模具鋼表面進(jìn)行處理，包括以下步驟:
[0087]用磨削方式去除模具鋼表面的氧化層，并使其表面達(dá)到一定的光潔度，然后用酒精清洗模具鋼表面。
[0088]本實(shí)施例選用的皮秒脈沖激光的中心波長為1064nm，脈寬為10皮秒。激光束經(jīng)振鏡實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)軌跡和偏轉(zhuǎn)速度由計算機(jī)控制，然后經(jīng)焦距為IOOmm的場景聚焦到厚度為7_的矩形模具鋼表面，焦斑直徑為30μπι。在激光束偏轉(zhuǎn)過程中，激光輻照區(qū)域可以形成微納米結(jié)構(gòu)。激光參數(shù)不同，偏轉(zhuǎn)軌跡不同，重復(fù)掃描次數(shù)不同，微納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺度會有很大變化，從而實(shí)現(xiàn)對大面積模具鋼表面吸光性能的調(diào)控，具體如下:
[0089](I)當(dāng)激光平均功率為35W，脈沖頻率為200kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為ΙΟμπι，偏轉(zhuǎn)速度為50mm/s時，得到的是不規(guī)則微米凹坑隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)，凹坑尺寸約為10~50 μ m，其掃描電鏡圖如圖7 (a)所示，在微米凹坑之間的表面上覆蓋有發(fā)達(dá)的納米顆粒結(jié)構(gòu)，尺寸約為300~lOOOnm，其掃描電鏡圖如圖7 (b)所示。
[0090]本實(shí)施例制備的特征結(jié)構(gòu)在250nm~2250nm波長范圍內(nèi)的平均反射率低至5%左右，其反射率曲線如圖8中曲線(2)所示，是原始模具鋼表面反射率(其反射率曲線如圖8中曲線(I)所示)的1/13~1/5，是一種全太陽光譜高效吸收結(jié)構(gòu)。
[0091](2)當(dāng)激光平均功率為35W，脈沖頻率為200kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為30微米，偏轉(zhuǎn)速度為50mm/s時，得到的是不規(guī)則微米凹坑隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)，凹坑尺寸約為10~50 μ m，其掃描電鏡圖如圖7 (c)所示，在微米凹坑之間的表面上覆蓋有較多的納米顆粒結(jié)構(gòu)，尺寸約為300~lOOOnm，其掃描電鏡圖如圖7 (d)所示。
[0092]本實(shí)施例制備的特征結(jié)構(gòu)在250nm~2250nm波長范圍內(nèi)的反射率相對于上述制備的特征結(jié)構(gòu)(圖8中曲線(2))而言均有所提高，如圖8中曲線(3)所示。
[0093](3)當(dāng)激光平均功率為35W，脈沖頻率為200kHz，激光偏轉(zhuǎn)軌跡為交叉線，線間距為50微米，偏轉(zhuǎn)速度為50mm/s時，得到的是微米凹坑規(guī)則周期分布的特征結(jié)構(gòu)，凹坑直徑約為30μπι，其掃描電 鏡圖如圖7 (e)所示，在微米凹坑之間的表面上覆蓋有較少的納米顆粒結(jié)構(gòu)，尺寸約為300~lOOOnm，其掃描電鏡圖如圖7 (f)所示。
[0094]本實(shí)施例制備的特征結(jié)構(gòu)在250nm~2250nm波長范圍內(nèi)的反射率相對于上述制備的特征結(jié)構(gòu)(圖8中曲線(2))而言均有進(jìn)一步的提高，如圖8中曲線(4)所示。
【權(quán)利要求】
1.一種用皮秒脈沖激光調(diào)控金屬表面吸光性能的方法，包括以下步驟: 用皮秒脈沖激光輻照金屬表面；經(jīng)過激光燒蝕去除，以及所述金屬表面在所述皮秒脈沖激光的誘導(dǎo)作用下的自組裝，在所述金屬表面得到微納米雙尺度結(jié)構(gòu)，至此即實(shí)現(xiàn)對所述金屬表面吸光性能的調(diào)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述皮秒脈沖激光為紅外光、可見光或紫外光； 所述皮秒脈沖激光的脈沖寬度為0.9~20皮秒，重復(fù)頻率為1K~4MHz，平均功率為1W ~400W。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述金屬為下述任一種: 1)金、銀、怕、銅、欽、鎮(zhèn)、續(xù)或招； 2)金、銀、鉬、銅、鈦、鎳、鎂和鋁中任兩種或三種組成的二元合金或三元合金； 3)不銹鋼、模具鋼或高速鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述皮秒脈沖激光采用單點(diǎn)輻照的方式輻照所述金屬表面，且單點(diǎn)輻照的金屬表面的面積不小于100 μ m2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述皮秒脈沖激光采用振鏡掃描的方式福照所述金屬表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述皮秒脈沖激光通過振鏡掃描和數(shù)控X-Y平臺配合的方式輻照所述金屬表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于:所述振鏡掃描的掃描路徑為下述1)和2)中任一種: 1)所述振鏡掃描的掃描路徑為平行線、交叉線或螺旋線；所述振鏡掃描的掃描間距為1μ m~100 μ m,掃描速度為lmm/s~IOm/s ； 2)所述振鏡掃描的掃描路徑為點(diǎn)陣；所述振鏡掃描的點(diǎn)間距為1μ m~100 μ m，單點(diǎn)作用脈沖數(shù)為1~2X106。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:所述微納米雙尺度結(jié)構(gòu)包括微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)； 所述微米結(jié)構(gòu)為微米凸起和/或微米凹坑規(guī)則或隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)； 所述納米結(jié)構(gòu)為自組裝在所述微米凸起和/或所述微米凹坑表面上的納米波紋、納米顆?；蚣{米顆粒的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。
9.權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述方法制備的金屬表面微納米雙尺度結(jié)構(gòu)； 所述微納米雙尺度結(jié)構(gòu)包括微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)； 所述微米結(jié)構(gòu)為微米凸起和/或微米凹坑規(guī)則或隨機(jī)分布的特征結(jié)構(gòu)； 所述納米結(jié)構(gòu)為自組裝在所述微米凸起和/或所述微米凹坑表面上的納米波紋、納米顆?；蚣{米顆粒的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】C21D10/00GK103627883SQ201310548183
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】鐘敏霖, 范培迅, 張紅軍, 龍江游 申請人:清華大學(xué)