飞秒激光诱导表面微纳多级结构形成机理、可控制造及浸润特性研究

表面微纳多级结构的形成机理和可控制造是微纳制造和表面界面领域的前沿热点问题，不仅具有深远的理论意义，而且因其在表面仿生降摩减阻、新能源高效利用、微流体可控输运中的应用而具有重要的实际意义。本项目提出建立引入波动性的飞秒激光加工理论模型，研究飞秒激光加工中的波动性特征及其产生的能量吸收、传输、材料相变特殊机制，揭示表面微纳多级结构的形成机理；基于激光脉冲整形和耦合场设计，控制被加工材料中电子吸收光子过程及其后续相变效应，从电子吸收层面实现表面微纳多级结构的高精度和多形态可控制造；在所提新模型和方法指导下，制造具有各向异性浸润和超疏水浸润特性的两种表面微纳多级结构，揭示多级结构对浸润特性的影响规律，实现材料表面浸润特性的优化与调控。

一、主要进展.表面微纳多级结构形成及可控制造是微纳制造和表面界面领域的前沿热点，不仅具有深远的理论意义，而且因其在微流体可控输运、化学成分检测中的应用而具有重要的实际意义。本项目围绕飞秒激光诱导表面微纳多级结构形成机理、可控制造及应用开展研究，取得如下成果：.（1）在制造理论方面：建立并完善了引入波动性的飞秒激光加工理论模型，揭示了飞秒激光诱导表面微纳结构形成机理。结果表明入射飞秒激光与其诱导产生的表面等离子体波之间的干涉可使材料表面电子密度、瞬态材料特性和吸收能量呈周期性变化，理论预测结果与实验结果吻合。.（2）在制造新方法方面：基于激光脉冲整形、激光偏振、加工环境调控，控制被加工材料中电子吸收光子过程及相变效应，实现了飞秒激光烧蚀面积的可控制造。（a）开展了基于飞秒激光整形技术的双脉冲烧蚀面积研究：发现了飞秒双脉冲加工氧化锌的烧蚀面积随着脉冲延时增加呈现准周期振荡减小的规律；该现象广泛存在于金属（铜）、半导体（锗、硅、砷化镓）和介质（熔融石英）中。（b）开展了基于飞秒激光偏振调节的烧蚀面积研究：发现了飞秒激光加工晶体硒化锌的烧蚀面积随偏振方向与材料晶轴夹角呈现π/2周期性振荡；该现象广泛存在于立方晶体材料中，如硅、金刚石、砷化镓、氧化镁和氟化锂等。（c）开展了溶液环境下的飞秒激光整形加工研究：发现了在乙醇溶液中，当脉冲延时大于200fs时，飞秒双脉冲加工半导体的烧蚀面积随着脉冲延时增加呈现振荡增加的规律；这是由于飞秒激光在电离乙醇分子时H-O键断裂产生离化电子辅助加工；基于上述规律，设计飞秒双脉冲延时，显著提高了加工质量和效率。.（3）在应用方面：应用所提方法，实现了材料表面增强拉曼散射和超疏水特性的调控。（a）采用激光整形加工了银纳米粒子/亚微米级光栅和银纳米粒子/纳米柱两种多级结构；通过对光致还原反应过程的调控，实现了拉曼增强因子最高达到1.3×10^9。（b）采用飞秒激光在石墨烯薄膜上制备出石墨烯花结构，实现了超疏水表面的接触角为150度。.二、研究成果.（1）获教育部自然科学一等奖2项（2012年度和2014年公示）；（2）项目负责人入选2013年度教育部新世纪优秀人才支持计划；（3）在Optics Express、Optics Letters等期刊发表SCI论文10篇，主流会议特邀报告1次；（4）申请发明专利4项；（5）培养博士生4名、硕士生5名。