飞秒激光诱导的高规则性光栅纳米结构：用于金属玻璃表面近场增强的时空控制方法

《Materials Science and Engineering: B》：Femtosecond-laser-induced highly regular grating nanostructures: Spatiotemporal control routes for near-field enhancement on metallic glass surfaces

飞秒激光爆发模式调控下Zr基金属玻璃表面HR-LIPSS形成机制研究，结合电磁场强度、电子-离子热传导及流体力学方程构建数值模型，揭示脉冲间隔调控对周期结构（505nm）形成的影响规律，实验与模拟结果吻合验证了模型的有效性。

　　

宋世杰|张佩蕾|张伟林|陈克凡|宋凌霄|杨清云|黄汉轩|姜克然|陈光龙|孙天柱|阮霞|方超

上海工程技术大学材料科学与工程学院，中国上海201620

摘要

利用飞秒激光脉冲序列模式（BM）的灵活脉冲分裂特性和超短时间尺度的脉冲延迟，增加了脉冲数量，从而在锆基金属玻璃（Zr-BMG）上制备出高效、高质量且高度规则的激光诱导周期性表面结构（HR-LIPSS）。HR-LIPSS具有亚波长周期性，并且沿激光偏振方向呈现出准规则的纳米图案，周期为505纳米。本文结合了麦克斯韦方程组、电子-离子热传导效应、纳维-斯托克斯方程以及材料去除过程的数值分析，旨在揭示激光与材料相互作用的复杂动力学过程，特别是形成激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的关键机制。模拟结果与实验数据在LIPSS结构的发展趋势和周期性方面高度吻合，验证了模拟模型的准确性。这种一致性不仅证明了模拟方法的可靠性，还为实验观察提供了强有力的理论支持，进一步加深了对LIPSS形成机制的理解。

引言

在过去的几十年中，激光诱导周期性表面结构（LIPSS）的形成和演变引起了研究人员的广泛关注[1]。根据结构的空间周期Λ和入射激光波长λ的不同，LIPSS可以分为低空间频率LIPSS（LSFL，λ/2 < Λ < λ）和高空间频率LIPSS（HSFL，Λ < λ/2）[2]。这种结构形成赋予材料表面色彩效应，通过调整纳米光栅的周期可以实现显著的颜色变化[3]。在材料表面制备LIPSS图案可以改变其润湿性，使其变得超疏水或超亲水，这一优异特性促进了其在汽车、航空航天等不同工业领域的应用[4]。LIPSS在生物医学领域也有广阔的应用前景，例如在抗菌领域，通过改变波纹周期可以控制细菌的附着和生长以及影响细胞生长[5]、[6]。此外，飞秒激光是医疗植入材料表面改性的有效方法，高精度、均匀且规则的LIPSS可以提高细胞的相容性和抗菌性能[7]。虽然飞秒激光可以在任何固体材料表面诱导出LIPSS，但其空间分布往往不规则，并且容易发生弯曲、断裂和分支[9]。Wang等人利用真空环境提高了铬薄膜上LIPSS的规则性[10]。Fraggelakis等人调整了两个飞秒激光脉冲之间的时间间隔，发现这一间隔影响了LIPSS的周期性均匀性[11]。这一发现强调了脉冲时序在激光辐照后表面结构形成和规则性中的重要性。脉冲序列模式（BM）允许调整脉冲之间的时间间隔，在极短时间内用多个脉冲照射材料表面。因此，在材料吸收辐射能量后，后续脉冲与表面相互作用，可以显著提高烧蚀的效率和质量[12]。将脉冲序列模式应用于LIPSS的制备是一种有前景的方法，因为它具有高度的灵活性、脉冲分裂能力强，并且在超短时间尺度上保持相同的线偏振和脉冲延迟。本研究选用了一种医用级的锆基非晶合金，利用飞秒激光脉冲序列模式在其表面诱导出了高度规则的LIPSS（HR-LIPSS）。

随着对LIPSS精密加工研究的深入，人们越来越意识到理解飞秒激光辐照与物质相互作用的重要性。这种理解对于探索LIPSS的形成和演变以及进一步优化LIPSS的制备至关重要。目前，已经提出了理论框架来解释LIPSS的形成[13]、[14]、[15]，这些框架主要基于电磁机制[16]。然而，对不同材料的研究表明，尽管LIPSS的形成可以归因于电磁效应，但形成的周期性结构分布存在细微差异[17]。这表明LIPSS的形成可能不仅仅局限于电磁机制，还可能涉及其他物理机制，这些机制可能促进或抑制不同周期性结构的形成[18]。

实验观察揭示了LIPSS形成过程的进一步复杂性。研究表明，LIPSS的形成可能涉及材料内部的能量传播及相关热效应[19]。目前，对LIPSS形成的理论理解以及激光诱导过程中结构演变的精确预测尚不直观。需要更多的研究来分析这些因素综合效应下的LIPSS形成机制。本文结合了电子-离子热传导、纳维-斯托克斯方程和材料去除过程，建立了一个二维模型，分析了飞秒激光辐照下抛光锆基非晶合金表面波纹形成的机制。该模型预测了表面形貌的演变，并研究了增加脉冲序列模式下飞秒激光脉冲数量对表面形态的影响。此外，还将实验数据与模拟结果进行了比较。这项研究为探索使用飞秒激光加工HR-LIPSS提供了一些有价值的启示。

材料制备

在本研究中，使用了Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10合金制成的棒状样品。这些棒状样品使用Leica EM TXP设备切割成直径约为3毫米、厚度为1.5毫米的圆柱形试样，该设备具有较高的抗拉强度、优异的硬度、耐腐蚀性，而且这种新型材料具有比Ti-6-Al4-V更好的生物相容性[20]。锆基金属玻璃样品经过研磨和抛光处理，获得了无划痕的光面。

理论计算

先前的研究表明，激光辐照过程中的电场强度分布会影响LIPSS的形成[22]。在本文中，激光为高斯光束，照射在空气表面上，电场强度（EFI）的计算关系如下：公式（1）[23]。

$\begin{array}{c}A=\frac{2P_0}{f_0\pi {\omega }_0^2\tau }\\ E_0=\sqrt{\left(\frac{2A{f}_0}{{\mu }_0{\epsilon }_0}\right)}\exp \left(?2{\left(x\right)}^2/{\omega }_0^2\right)\end{array}$ $P_0$表示飞秒激光功率，$f_0$表示飞秒激光脉冲序列频率，$\tau$表示脉冲宽度，$A$表示

飞秒激光诱导的LIPSS

图4显示了通过增加脉冲数量获得的经典LIPSS，其结构周期为830纳米，结构方向垂直于飞秒激光的偏振方向。结果表明，脉冲数量是影响LIPSS形态的关键因素[36]。通过分析LIPSS的局部形态，发现LIPSS的结构和空间规则性通常较差，容易发生弯曲、断裂和分支[37]。

结论

本研究探讨了使用线性偏振的飞秒激光脉冲在不同脉冲序列状态下在Zr-BMG上制备高度规则的激光诱导周期性表面结构（HR-LIPSS）的方法。

1. 在实验中，通过调整激光能量密度和激光脉冲数量，采用脉冲序列模式的飞秒激光加工技术制备出了均匀且高度规则的激光诱导周期性表面结构（HR-LIPSS），同时保持了其他激光加工参数不变。

CRediT作者贡献声明

宋世杰：撰写——原始稿件、可视化处理、软件开发、方法论设计、实验研究。张佩蕾：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法论设计、资金申请、概念构思。张伟林：撰写——审稿与编辑、结果验证。陈克凡：撰写——审稿与编辑、方法论设计。宋凌霄：撰写——审稿与编辑、方法论设计。杨清云：撰写——审稿与编辑。黄汉轩：撰写——审稿与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（编号52305435、52075317）和上海第三类高峰学科“材料科学与工程（高能束智能加工与绿色制造”）的支持。