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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