《Optics & Laser Technology》：Supra-wavelength surface structures on silicon by femtosecond laser defocus structuring for antireflection
编辑推荐：
本研究采用飞秒激光离焦加工技术制备硅基超波长表面结构（SWSs），优化参数后实现400-800nm波长范围反射率<4.5%及各入射角<2.8%，并验证其高效光热转换能力，为抗反射硅材料在光热及光伏领域应用提供新方法。
Kun Zhou|Yanping Yuan|Chunlian Wang|Weina Han
北京工业大学物理与光电工程学院激光工程研究所，北京 100124，中国
摘要
激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）提供了一种灵活的表面纳米图案化抗反射策略。然而，由于LIPSS的尺寸小于波长（Λ < λ），其抗反射性能受到限制。具有特征尺寸大于波长（Λ > λ）的超波长表面结构（SWSs）是良好的替代方案，在抗反射方面具有优势。然而，SWSs的形成机制尚不清楚，且关于SWSs的抗反射研究也很少。在这项工作中，我们探讨了利用飞秒激光离焦结构技术在硅表面上制造抗反射SWSs的可行性。随着离焦距离的增加，光斑尺寸会增大，截面能量强度会减小，从而为SWSs的产生提供了适当的能量阈值。近场增强效应和流体动力学流动以及马兰戈尼对流被提出用于解释SWSs的可能形成机制。通过优化加工参数（离焦距离、扫描速度、激光功率和扫描间隔），成功制备出了抗反射SWSs样品（在400–800 nm波长范围内的反射率< 4.5%，在不同入射角度下的全向反射率R < 2.8%）。此外，光热测试表明了SWSs硅材料的高效光热转换能力。这种新型制造方法简单且灵活，为抗反射硅材料在光热和光伏领域的应用开辟了新的可能性。
引言
抗反射技术在太阳能、军事隐身、光学设备等多个领域显示出重要意义[1]、[2]、[3]、[4]。传统的薄膜方法需要复杂的层厚计算和昂贵的设备，这限制了该方法的实际应用[5]、[6]。然而，飞秒激光加工因其材料通用性、高精度和高功率[7]、[8]、[9]，为实现表面抗反射提供了替代方案。许多研究已经致力于在Cu[10]、[11]、Ti[12]、[13]、ZnS[14]、[15]和Si[16]、[17]、[18]、[19]等材料上制备抗反射表面。激光诱导的周期性表面结构（LIPSS，即波纹）是一种常见的现象，它发生在超短激光脉冲与固体材料表面相互作用时[20]。LIPSS的周期和方向受多种参数影响，如激光功率[21]、脉冲数量[22]、激光波长[23]、加工环境[24]或激光偏振分布[25]。LIPSS的产生提供了一种简单灵活的表面纳米图案化策略，可以改变材料表面的原始光学、机械或化学性质，具有广泛的应用，如结构着色[26]、生物抗菌性能[27]和抗反射[15]。通常，LIPSS包含两种不同类型的波纹：低空间频率LIPSS（LSFL）和高空间频率LIPSS（HSFL）。LSFL在金属和半导体中较为常见，其周期（Λ）小于或接近入射激光波长（λ/2 < Λ < λ）[20]，这是由于入射光与表面电磁波之间的干涉现象[28]。我们之前的工作预测了周期远小于入射激光波长的HSFL（Λ < λ/2），其形成归因于二次谐波[30]或自组织模型[31]。在过去的几十年中，由于LIPSS的自组织特性和易于大规模制备，它已被应用于表面抗反射研究。Shin[32]在硅表面上制备了LIPSS，300–860 nm波长范围内的平均反射率为7.8%。Gurevich[33]使用飞秒激光照射异丙醇中的硅表面，制备了425–725 nm波长范围内平均反射率低于1.65%的LIPSS。Dostovalov[34]利用飞秒激光线束照射在Si薄膜上制备了LIPSS，相应波长范围内的反射率低于2%。然而，由于LSFL或HSFL的尺寸限制，其抗反射性能并不理想，尽管加工效率可能很高[15]。
超波长表面结构（SWSs，也称为沟槽）的特征尺寸大于入射激光波长（λ < Λ），通常通过超快激光制造，其形成机制涉及马兰戈尼对流流体动力学[35]和马兰戈尼对流特性[36]、[37]。SWSs的尺寸大于LIPSS，因此在抗反射方面更具优势，最近的研究也证实了这一点[37]。表1展示了在不同加工参数下，使用飞秒激光在硅表面上制备的SWSs及其对应的周期。这些影响参数包括加工环境、入射角度、光学偏振方向和脉冲宽度。目前，SWSs主要在较高激光功率或较大脉冲数量沉积条件下生成[21]、[38]、[39]。此外，SWSs的形成机制尚不清楚，关于SWSs的抗反射研究也很少。因此，仍有必要研究其他影响SWSs状态的因素，并将其应用于抗反射领域。
在这项工作中，我们总结了在硅表面上制备SWSs的方法，并探讨了使用另一种方法（飞秒激光离焦结构）制造SWSs的可行性。解释了SWSs的可能形成机制。通过优化飞秒激光加工参数（离焦距离、扫描速度、激光功率和扫描间隔），成功制备出了抗反射SWSs。此外，光热测试证明了SWSs硅材料的高效光热转换能力。此外，还进行了静态多脉冲照射实验以展示SWSs的变化过程。
实验部分
实验步骤
首先用乙醇清洗单晶硅片（N型掺杂，1 × 1 cm2，厚度0.5 mm），然后用于本实验。使用Spectra Physics公司的Ti: sapphire飞秒激光器，在大气环境下对硅进行照射，中心波长为800 nm，脉冲持续时间为50 fs，重复率为1 kHz。激光功率通过偏振分光器和半波片进行调节，并由Ophir功率计测量。使用物镜
离焦距离对SWSs的影响
如图S1所示（支持信息），随着离焦距离的增加，激光能量强度在截面方向上减小。图2(a-g)展示了在不同离焦距离（?130 μ m ～ -40 μ m，“-”表示样品表面位于焦平面下方）下，通过飞秒激光加工制备的硅表面结构的SEM图像。红色箭头指示激光偏振方向，该方向垂直于激光扫描方向。结构的周期为
结论
在这项工作中，提出了一种利用飞秒激光离焦结构技术在硅表面上制备抗反射SWSs的方法。随着离焦距离的增加，光斑尺寸逐渐增大，激光能量强度在截面方向上减小，为SWSs的产生提供了适当的能量范围。激光加工参数对SWSs形态的影响包括离焦距离、扫描速度、激光功率和激光偏振方向
CRediT作者贡献声明
Kun Zhou：撰写原始稿件、方法论设计、研究实施、概念构思。Yanping Yuan：监督工作、资源调配、项目管理。Chunlian Wang：软件开发、项目管理、数据分析。Weina Han：监督工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4604600）和国家自然科学基金（项目编号：52175374 & 51905531）的财政支持。
