[发明专利]一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种调控金属表面吸光性能的方法，具体涉及一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法。

背景技术

金属表面通常对可见光和红外光有高的反射率。对金属表面进行特定的处理，使其在全光谱或特定光谱范围内反射率明显下降，达到高效宽光谱吸收或选择性吸收的效果，这种高效吸收表面在光子学、等离子体光子学、光电子学、超材料、隐身技术、热辐射源、辐射传热设备、太阳能吸收器、热光伏器件、红外传感、生物学器件、以及机载/星载设备等诸多领域都具有潜在的应用价值，多年来引起研究者们的高度关注。

在降低金属表面反射率、提高吸收率，或调控其吸光性能方面已有不少报道并发展了许多方法。其中涂层法是发展最早和最成熟的方法，包括各种多层薄膜涂层、纳米管、纳米棒涂层等。涂层法对涂层材料具有依赖性，其稳定性较低、附着力较差，制备过程需要真空操作且步骤多，限制了其应用。研究发现，蛾眼具有独特的亚波长微纳米结构和显著的抗反射效果。在材料表面制备出类似蛾眼的仿生结构来达到抗反射的目的成为科学家研究的重点方向之一。这类仿生制备技术主要包括：等离子体刻蚀、反应离子束刻蚀、电子束光刻、快速原子束刻蚀等等。经仿生制备得到的抗反射亚波长结构比外加涂层方法更加稳定、效果更好、寿命更长，但上述制备技术往往需要昂贵的设备和复杂的加工过程，制备面积小、效率低、成本高。

近年，美国罗切斯特大学研究组用飞秒激光处理高反射率金属（如Au，Ag，Pt，Ti，Al，W等）表面，制备了周期约为100μm的沟槽结构，沟槽表面还存在飞秒激光诱导的纳米结构，这种金属表面微纳米结构使其光学吸收率达到了85%～95%、高吸收光谱范围扩展到250～2500nm，被称为“黑色金属”。英国敦提大学研究组用纳秒激光在Cu表面制备了周期为40～80μm的微米锥阵列结构，微锥表面覆盖有一定的亚微米结构以及纳米颗粒团簇，在250～750nm波段的平均吸收率达到了97%，在750～2500nm波段内不超过30%。金属表面微纳米双尺度结构可以同时发挥亚波长尺度结构的表面等离子体吸收作用和微米尺度结构的几何陷光作用，为实现金属表面的高抗反射性能提供了新思路。目前存在的主要问题在于：飞秒激光系统成本高、环境要求严苛、使用维护难度大、加工效率低、难以实现大面积加工；纳秒激光系统虽然成本低、效率高，但其形成微纳米双尺度结构，特别是纳米结构的能力有限，难以实现对金属表面吸光性能的有效调控。

皮秒激光系统在高效形成微米结构的同时保留了超短脉冲激光的纳米结构形成能力，同时较之飞秒激光系统而言，其成本低、操作维护容易，是一种工程化的微纳米加工手段。但此类激光目前主要局限于打孔、切割等去除加工领域，在表面微纳米结构，特别是表面微纳米光学功能结构的制造和应用领域，其潜能尚未得到足够的认识。

发明内容

本发明的目的是提供一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法，该方法利用皮秒脉冲激光在金属表面制备出微纳米双尺度结构，通过调控皮秒激光参数以及激光束和金属表面之间的相对运动，对微纳米双结构的形貌特征和尺度特征进行调控，进而实现对金属表面的吸光性能的调控。

本发明所提供的一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法，包括以下步骤：

用皮秒脉冲激光辐照金属表面；经过激光烧蚀去除，以及所述金属表面在所述皮秒脉冲激光的诱导作用下的自组装，在所述金属表面得到微纳米双尺度结构，至此即实现对所述金属表面吸光性能的调控。

本发明方法中的“激光烧蚀去除”是指当脉冲激光能量密度超过某种材料的烧蚀阈值时，激光作用区内材料表面出现蒸发现象，形成材料的去除，去除量取决于激光参数；材料的烧蚀阈值与材料特性和脉冲激光参数如脉冲宽度等有关。

本发明方法中的“自组装”是指在脉冲激光能量的诱导下，金属材料自身发生复杂的融化、凝固、蒸发、沉积等过程，这些过程相互交叉，在金属表面形成特定形式的亚结构，亚结构的形状尺度不取决于激光与金属材料之间的相对运动形式，而由金属材料自身的特性和脉冲激光的性质所决定。

上述调控金属表面吸光性能的方法中，所述皮秒脉冲激光可为红外光、可见光或紫外光；

所述皮秒脉冲激光的脉冲宽度可为0.9～20皮秒，具体可为10皮秒，重复频率可为1KHz～4MHz，具体可为100KHz～1MHz、100KHz、200KHz或1MHz，平均功率可为1W～400W，具体可为18W～85W、18W、35W或85W。

上述调控金属表面吸光性能的方法中，所述金属可为下述任一种：

1）金、银、铂、铜、钛、镍、镁或铝等金属单质；