编辑推荐：
飞秒激光正交扫描与空间光束整形技术制备2D-LIPSS结构，使钻石可见光波段（450-700 nm）透射率提升至>80%，较原生钻石提高13%，结合有效介质理论证实二维结构的优越性。
钟山金|李芳芳|李云飞|王工|曹赫|朱东旭|大立|硕丽|安松|张云鹏|于宇|于雷|吕志伟
中国天津河北工业大学电子与信息工程学院先进激光技术中心
摘要
金刚石光学窗口在可见光应用（380–780纳米）中展现出巨大潜力，是高功率激光器和深海探测器等先进系统中的关键组件。它们对极端环境（包括高温/高压、沙尘、雨雪）的卓越适应性进一步凸显了其实用性。然而，天然金刚石的可见光透射率较低，而传统的抗反射涂层在恶劣条件下存在分层、腐蚀和损坏的风险。尽管亚波长抗反射（AR）结构提供了一种无膜增强的有希望的策略，但在可见光谱领域的研究进展仍受到结构尺寸、制造精度和加工效率挑战的制约。在这里，我们展示了一种利用空间光束整形辅助的飞秒激光正交扫描技术。通过将激光斑点重塑为椭圆形轮廓，该方法实现了约40倍的面积处理速率提升。我们成功在金刚石上制备了二维光栅表面抗反射结构（2D-LIPSS），在可见光范围（450–700纳米）内的平均透射率超过80%，比天然金刚石提高了约13%。此外，基于有效介质理论（EMT）的分析阐明了2D-LIPSS的优越性和可行性。我们的理论和实验结果共同证明了2D-LIPSS是该光谱带无膜透射增强的最佳解决方案。
引言
金刚石是一种广泛使用的光学窗口材料，因其独特的性能而备受青睐，包括极高的硬度（莫氏硬度10）、宽光谱透射率、出色的化学惰性和高导热性[1]、[2]。尽管金刚石光学窗口被用于高功率光电器件、量子传感和光电检测[3]、[4]、[5]，但由于其高折射率（n = 2.42）导致显著的菲涅尔反射损失（高达29%），天然金刚石不能直接作为这些应用中的光学窗口。一种常见的解决方案是在金刚石表面沉积抗反射（AR）涂层，通过破坏性干涉减少入射表面的反射[6]、[7]。然而，要实现更大的透射增强，需要多层涂层来制造梯度折射率结构。这增加了反射波之间相位抵消的复杂性，要求对每层的厚度和折射率进行精确控制；任何偏差都可能严重损害整体透射增强效果。此外，在涉及海水腐蚀或热冲击的恶劣环境中，涂层与基底之间的热膨胀不匹配会带来重大风险。再加上粘附性差，这常常导致不可逆的损伤，如分层和断裂[8]。近年来，基于有效介质理论（EMT）的亚波长抗反射结构引起了相当大的研究兴趣[7]。对于像金刚石这样的光学窗口材料，它们通常在极端条件下工作，这些亚波长结构因其与金刚石基底具有相同的物理化学性质而越来越受到青睐，成为提高透射率的有希望的方法。
金刚石的极高硬度和化学惰性虽然赋予了操作稳定性，但也给微结构制造带来了重大挑战。由于抗反射结构通常需要微米或纳米级的特征尺寸或周期，传统的制造技术（如机械加工[9]、等离子体蚀刻[10]和电镀[11]）无法满足金刚石亚波长结构的精度要求。飞秒激光微/纳米加工作为一种超精密解决方案出现，具有高精度、非热（“冷”）加工和真正的三维制造能力。这使其成为金刚石光学窗口高效透射增强的尖端技术[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。在近红外（NIR）领域，E. Granados等人使用紫外（UV）飞秒激光在金刚石上制备了高质量的抗反射周期性结构，实现了1.25微米处接近100%的模拟透射率[19]。对于中红外应用，曹赫等人展示了激光辅助的飞秒激光直接写入金字塔形抗反射结构，在10微米处实现了94.5%的透射率，并具有出色的高温稳定性[20]。最近，胡等人利用飞秒激光直接写入在金刚石表面制备了亚波长梯形阵列，在8–14微米的中红外范围内成功将平均透射率从大约70%提高到77.5%[21]。值得注意的是，高能激光武器和深海探测器等先进系统迫切需要能够在极端温度/压力条件下具有可见光透射能力的耐腐蚀金刚石窗口。然而，在可见光谱（380–780纳米）范围内，关于亚波长透射增强结构的研究仍然很少。这一差距持续存在，因为可见光增强需要亚100纳米的特征尺寸或周期[22]，这带来了重大的设计和制造挑战。P. Calvani等人使用800纳米飞秒激光在金刚石上制备了170纳米周期的LIPSS，但所得结构的吸收率约为80%，使其不适合透明光学应用[23]。2025年，曹等人使用515纳米飞秒激光在金刚石表面制备了高质量的1D-LIPSS，在625–750纳米范围内实现了65%到76%的透射率提升。虽然这项工作验证了100纳米级LIPSS用于可见光抗反射的可行性，但整体提升幅度仅约为10%[24]。因此，制造具有高可见光透射率的金刚石亚波长结构仍然是一个持续的技术挑战。此外，飞秒激光制造的有限加工效率严重限制了这类结构的应用和发展。因此，优化质量与效率的权衡是一个重要的研究优先事项。表1提供了文献中报道的金刚石亚波长抗反射结构的比较概述，总结了它们的制造方法、结构参数和光学性能。
在这里，我们采用了一种圆柱透镜辅助的空间光束整形技术结合飞秒激光正交扫描。这种方法能够高效制造具有高可见光透射率的金刚石亚波长结构。在加工光路中，圆柱透镜将圆形激光斑点重塑为椭圆形轮廓，实现了约40倍的面积处理速率提升，同时保持了高结构均匀性。经过飞秒激光正交扫描后，湿法蚀刻去除表面杂质，最终制备出具有优异均匀性和表面质量的二维光栅表面抗反射结构（2D-LIPSS）。这些纳米结构显著提高了金刚石的可见光透射率，在450–700纳米范围内的平均值超过80%。这比天然金刚石提高了约13%，比传统的1D-LIPSS提高了约6%。通过应用有效介质理论（EMT），我们阐明了2D-LIPSS相对于1D-LIPSS的优越性和可行性。这项工作填补了金刚石亚波长透射增强研究中的一个关键空白，并为可见光带无膜透射增强技术建立了基础理论和实验支持。
处理优化和扫描路径设计
虽然飞秒激光具有超高的处理分辨率，但其低吞吐量从根本上限制了制造效率。为了实现大面积亚波长结构的高效生产，我们将圆柱透镜集成到光路中以进行空间光束整形。这些透镜通过折射改变光的传播和聚焦特性。如图1(a)所示，515纳米的飞秒激光束通过圆柱透镜成形并聚焦到金刚石表面。
结论
总结来说，我们报道了一种利用空间光束整形辅助的飞秒激光正交扫描技术，能够在金刚石表面上制造出高度均匀且连续的二维光栅表面抗反射结构（2D-LIPSS），实现了40倍的面积处理速率提升。这种工程化的2D-LIPSS结构在可见光范围内实现了出色的透射增强，透射率超过80%，比天然金刚石提高了超过13%，比传统1D-LIPSS提高了6%。
实验部分
材料和激光制造
使用了一个尺寸为4 × 4 × 0.3毫米（长度 × 宽度 × 厚度）的单晶金刚石样品。在处理之前，样品在去离子水中超声清洗了3分钟。由二次谐波生成（SHG）系统产生的飞秒激光脉冲（波长：515纳米；重复率：25千赫；脉冲宽度：390飞秒）通过一个数值孔径为0.7的60倍物镜聚焦到样品上。
湿法蚀刻
湿化学蚀刻是暴露原始纳米结构的关键后处理步骤。激光诱导的相变在表面生成了非晶碳和石墨层。H2SO4/HNO3混合物作为一种高选择性的氧化剂，有效去除了这些非金刚石相，同时由于其极强的化学惰性而保留了下面的金刚石晶格。蚀刻溶液由浓硫酸（H2SO4）和浓硝酸组成。
表征和测试
使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM；JSM-7610F，JEOL，日本）检查了LIPSS的表面形态。使用原子力显微镜（AFM；MFP-3D，Asylum Research，英国）表征了LIPSS的均匀性和粗糙度。使用在可见光谱（450–700纳米）范围内工作的透射测量系统评估了金刚石LIPSS的光学性能，该系统配备了宽带白光源。
支持本研究发现的数据是
CRediT作者贡献声明
钟山金：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，方法学，研究，概念化。李芳芳：撰写 – 审稿与编辑，软件，研究，数据管理，概念化。李云飞：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。王工：监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。曹赫：监督，方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了173项目技术基金[资助编号：2022-JCJQ-JJ-0416]；中央政府引导地方科学技术发展基金[资助编号：236Z1813G]；河北省自然科学基金[资助编号：F2024202086, F2024202083]；河北省教育厅科研项目[资助编号：BJK2024048]；石家庄市优秀青年学者科学基金[资助编号：241791207A]的支持。
