随着精密制造技术的快速发展，具有特定表面周期性结构功能器件的高效制备逐渐成为人们研究的热点。由于超快激光具有极高的峰值功率和极短的作用时间，可以在绝大多数材料表面制备周期性的微纳结构，对实现太阳能的高效利用、隐身材料的制备等诸多领域具有广阔的应用前景。

1、超快激光制备表面微纳结构的优势

与常规制备微纳结构的方法(如光刻、电子束、离子束以及机械方法等)相比，超快激光具有 (1) 可精确快速地将能量注入到待处理区域，加工的结构边缘锋利平整，具有更高的精度; (2) 超快激光的峰值功率更高，适用于半导体、金属、聚合物和陶瓷等非透明材料;由于其非线性多光子吸收，还可对玻璃等透明材料进行加工; (3) 超快激光可控性较强，可以构造各种各样具有复杂几何形状的微纳结构，加工过程无接触且可在不同的环境中实现。

2、超快激光宽光谱高吸收率微纳结构制备工艺测试

本次测试使用国神光电GS-FIR20红外飞秒激光器在单晶硅表面构造周期性的微纳米结构，减小材料表面对远红外光的反射率，实现对太阳能的高效利用。

GS-FIR20红外飞秒激光器

(1)激光器相关参数

国神光电红外飞秒激光器GS-FIR20

(2)光路配置

(3)吸波材料制备过程

加工过程设置振镜扫描方式为正交扫描，线间距为12um，在单晶硅表面制备10mm*10mm周期性的微纳结构

(4)微观结构

利用白光干涉仪对激光加工后材料表面进行检测，如图1所示，整体结构为周期性锥型结构，周期12um，深度50um，结构较为均匀，飞秒激光扫描后在单晶硅表面所形成的微米结构之间的空隙成为了理想的陷光腔结构，使照射其表面的光可以经过多次反射，进而增加了光的吸收，实现材料表面“吸波”的效果。

图1. 材料表面的亚微米周期性结构

图2. SEM微观形貌图

图2为单晶硅表面经激光处理后的SEM微观形貌图，从以上高倍率照片可以看到在周期性的锥型结构周围附着有大量随机的纳米絮状结构，这种结构可进一步增强对入射光波的吸收。

(5)反射率测试

通过傅里叶红外光谱仪对材料表面吸收率进行测试，结果如图3所示，在3.0um-5.0um波段内，分别以30°、45°、60°不同角度入射材料表面，其吸收率均超过96%，实现了宽光谱、高吸收率黑硅材料的制备。

图3：黑色单晶硅表面反射率曲线

3、小结

基于超快激光具有精度高、可控性强、加工过程无接触等特点，可以构造各种各样具有复杂几何形状的微纳结构。除单晶硅、陶瓷等非金属材料外，超快激光还可实现铝合金、钛合金等金属材料表面的微纳加工，这项技术可大幅降低材料表面对光等电磁波的反射率，未来将在航空航天、传感器电子、新能源领域大有可为。

武汉锐科光纤激光技术股份有限公司（AMTS & AHTE South China 2022展位号：2G09）邀您参观 AMTS & AHTE South China，探索更多行业解决方案！

图文来源：武汉锐科

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展会预告：

· AMTS & AHTE South China 2022

2022年10月12日-14日 深圳国际会展中心（宝安新馆）

· AMTS 2023

2023年7月5-8日 上海新国际博览中心