隨著精密制造技術(shù)的快速發(fā)展,具有特定表面周期性結(jié)構(gòu)功能器件的高效制備逐漸成為人們研究的熱點。由于超快激光具有極高的峰值功率和極短的作用時間,可以在絕大多數(shù)材料表面制備周期性的微納結(jié)構(gòu),對實現(xiàn)太陽能的高效利用、隱身材料的制備等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。 超快激光制備表面 微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 與常規(guī)制備微納結(jié)構(gòu)的方法(如光刻、電子束、離子束以及機械方法等)相比,超快激光具有:(1)可精確快速地將能量注入到待處理區(qū)域,加工的結(jié)構(gòu)邊緣鋒利平整,具有更高的精度;(2)超快激光的峰值功率更高,適用于半導體、金屬、聚合物和陶瓷等非透明材料;由于其非線性多光子吸收,還可對玻璃等透明材料進行加工;(3)超快激光可控性較強,可以構(gòu)造各種各樣具有復雜幾何形狀的微納結(jié)構(gòu),加工過程無接觸且可在不同的環(huán)境中實現(xiàn)。 超快激光寬光譜高吸收率 微納結(jié)構(gòu)制備工藝測試 本次測試使用國神光電GS-FIR20紅外飛秒激光器在單晶硅表面構(gòu)造周期性的微納米結(jié)構(gòu),減小材料表面對遠紅外光的反射率,實現(xiàn)對太陽能的高效利用。
GS-FIR20紅外飛秒激光器 (1)激光器相關(guān)參數(shù) 國神光電紅外飛秒激光器GS-FIR20
(2)光路配置
(3)吸波材料制備過程 加工過程如下所示,設(shè)置振鏡掃描方式為正交掃描,線間距為12μm,在單晶硅表面制備10mm*10mm周期性的微納結(jié)構(gòu)。 (4)微觀結(jié)構(gòu) 利用白光干涉儀對激光加工后材料表面進行檢測,如圖1所示,整體結(jié)構(gòu)為周期性錐型結(jié)構(gòu),周期12μm,深度50μm,結(jié)構(gòu)較為均勻,飛秒激光掃描后在單晶硅表面所形成的微米結(jié)構(gòu)之間的空隙成為了理想的陷光腔結(jié)構(gòu),使照射其表面的光可以經(jīng)過多次反射,進而增加了光的吸收,實現(xiàn)材料表面“吸波”的效果。
圖1 材料表面的亞微米周期性結(jié)構(gòu)
圖2 SEM微觀形貌圖 圖2為單晶硅表面經(jīng)激光處理后的SEM微觀形貌圖,從以上高倍率照片可以看到在周期性的錐型結(jié)構(gòu)周圍附著有大量隨機的納米絮狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可進一步增強對入射光波的吸收。 (5)反射率測試 通過傅里葉紅外光譜儀對材料表面吸收率進行測試,結(jié)果如圖3所示,在3.0μm-5.0μm波段內(nèi),分別以30°、45°、60°不同角度入射材料表面,其吸收率均超過96%,實現(xiàn)了寬光譜、高吸收率黑硅材料的制備。
圖3 黑色單晶硅表面反射率曲線 小結(jié) 基于超快激光具有精度高、可控性強、加工過程無接觸等特點,可以構(gòu)造各種各樣具有復雜幾何形狀的微納結(jié)構(gòu)。除單晶硅、陶瓷等非金屬材料外,超快激光還可實現(xiàn)鋁合金、鈦合金等金屬材料表面的微納加工,這項技術(shù)可大幅降低材料表面對光等電磁波的反射率,未來將在航空航天、傳感器電子、新能源領(lǐng)域大有可為。
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