Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

УВАЖАЕМЫЕ ПОДПИСЧИКИ НАШЕГО ЖУРНАЛА!
По техническим причинам «Оптический журнал» не попал в каталог агентства «Роспечать» на II полугодие 2018 г., что делает невозможной подписку на него на почте. Предлагаем оформить подписку на II полугодие 2018 в редакции журнала удобным Вам способом. Стоимость подписки на полугодие сохраняется (6600 руб.).
На первое полугодие 2019 и далее подписка будет проводится в ранее существовавшем порядке через "Роспечать", "УралПресс" и другие агенства печати.

Связаться с нами можно по т. (812) 315-05-48, Е-mail: beditor@soi.spb.ru

Аннотации (02.2018) : STUDY OF THE OPTICAL AND ABSORPTION PROPERTIES OF MICRO-NANOSTRUCTURE ON METAL SURFACES

STUDY OF THE OPTICAL AND ABSORPTION PROPERTIES OF MICRO-NANOSTRUCTURE ON METAL SURFACES

 

© 2018    Haijian Liang*, **, Fengbao Yang**, ***, Gao Wang*, **, Yafei Guo*, **, Yuchen kang*, **, Yanhong Wang*, **, Hongxin Xue**, Yanlong Wei*, **

*   National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China

** School of information and communication engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China

E-mail: yangfengbao1992@163.com

Submitted 11.07.2017

A femtosecond laser system with a frequency of 1 kHz, average power of 185 mW, and wavelength of 800 nm was used in this study to micromachine a polished tungsten block surface. The micro-nanostructure of the tungsten surface was induced via laser and the machined surface roughness was measured with a profiling instrument. The blackened surface sample with periodic fluctuation appeared to be rougher than the polished surface sample. The absorption spectra of the two samples was measured with a spectrophotometer. Average micro-nanostructure tungsten sample absorption was 89% in the range of 380 nm to 1,100 nm. The two samples were simulated via finite difference time domain (FDTD) method; both polished and darkened tungsten models were established based on the experimental measurements. Model absorption with fluctuation structures were over 90% with wavelengths from 380 nm to 1,100 nm, i.e., the simulation results were consistent with experimental results. Two kinds of samples were heated by laser in the wavelength of 976 nm at a 400 W process as temperature changes were measured with tungsten-rhenium thermocouples. The temperature of the blackened tungsten increased at a greater rate than the polished sample at a maximum difference of 88 С. The results suggest that tungsten absorption can be effectively improved by utilizing a periodic and random structure combination on the tungsten surface.

Keywords: femtosecond laser, tungsten, absorption, micro-nanostructure.

OCIS codes: 240.6680, 140.3390, 220.4241, 350.4238

 

Исследование оптических поглощательных свойств поверхности металла, подвернутой микро-наноструктурированию

© 2018    Haijian Liang, Fengbao Yang, Gao Wang, Yafei Guo, Yuchen kang, Yanhong Wang, Hongxin Xue, Yanlong Wei

Для создания микрорельефа на полированной поверхности вольфрама использовался фемтосекундный лазер, излучающий на длине волны 800 нм со средней мощностью 185 мВт и частотой следования импульсов 1 кГц. Шероховатость обработанной лазером поверхности измерялась профилометром. Обработка поверхности приводила к её чернению, причём её шероховатость имела вид периодических флуктуаций и была большей, чем у начальной полированной поверхности. Измерялись спектры поглощения обработанного и исходного образцов. В диапазоне от 380 до 1100 нм средний коэффициент отражения подвергнутой микрообработке поверхности вольфрамовой пластины составил 89%. Проведено моделирование поглощения поверхности с использованием метода конечных разностей во временной области для обоих типов поверхностей с привязкой к результатам экспериментальных измерений. Вычисленная величина поглощения структурированной лазерным излучением поверхности составляла около 90% для указанного диапазона, что находится в соответствии с экспериментальными результатами. Сопоставлялись процессы поглощения излучения двумя этими типами поверхностей. Динамика изменения температуры определялась вольфрам-рениевой термопарой при воздействии на образцы излучения на длине волны 976 нм и мощности 400 Вт. Температура образца с чернёной поверхностью возрастала быстрее, чем полированного, при максимальной разнице температур 88 °С. Результаты свидетельствуют о том, что обработка поверхности, приводящая к структуре поверхности, комбинирующей периодические и случайные шероховатости, приводит к существенному возрастанию поглощения поверхности вольфрама.

 

References

1.         Tanvir K.M.A., Edwin J.Y.L., Phillip S. Introducing a new optimization tool for femtosecond laser-induced surface texturing on titanium, stainless steel, aluminum and copper // Opt. Lasers Eng. 2015. V. 66(66). P. 258–268.

2.         Edwin J.Y.L., Julien S., Nicolas B. Investigating and understanding the effects of multiple femtosecond laser scans on the surface topography of stainless steel 304 and titanium // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 353. P. 512–521.

3.         Liu L., Huang H., Hu A., Zou G.,  Quintino L., Zhou Y. Nano brazing of Pt-Ag nanoparticles under femtosecond laser irradiation // Nano-Micro Lett. 2013. V. 5(2). P. 88–92.

4.         Li G., Li J., Yang L., Li X., Hu Y., Chua J., Huang W. Evolution of aluminum surface irradiated by femtosecond laser pulses with different pulse overlaps // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 276(7). P. 203–209.

5.         Wang Z.P., Feng G.Y., Wang S.T., Li G., Dai S.Y., Zhou S.H. Improving the quality of femtosecond laser processing micro-hole array by coated with aluminum film on fused silica // Optik. 2017. V. 128. P. 178–184.

6.         Melentiev P.N., Kuzin A.A., Gritchenko A.S., Kalmykov A.S., Balykin V.I. Spatial and temporal coherence properties of single free-electron laser pulses // Opt. Commun. 2017. V. 382(16). P. 509–513.

7.         Zhang Y., Liu L., Zou G., Chen N., Wu A., Bai H., Zhou Y. Femtosecond laser-induced phase transformations in amorphous Cu77Ni6Sn10P7 alloy // J. Appl. Phys. 2015. V. 117(2). P. 023109.

8.        Shi H.X., Cui Z., Wang W.X. Blackening of magnesium alloy using femtosecond laser // Appl. Opt. 2015. V. 54(25). P. 7766–7772.

9.         Rudolph K.W., Daminelli G.P., Krüger J. Physico-chemical aspects of femtosecond pulse laser induced surface nanostructures // Appl. Phys. A. 2005. V. 81(1). P. 65–70.

10.       Zhou M., Yuan D.Q., Li J. Micro- and nanostructures on metal induced by femtosecond laser radiation // Spectrosc Spect. Anal. 2009. V. 29(6). P. 1454–1458.

11.       Ahmmed K.M.T., Grambow C., Kietzig A. Fabrication of micro-nanostructures on metals by femtosecond laser micromachining // Micromachines. 2014. V. 5(4). P. 1219.

12.       Jörn B., Sandra H., Sabrina V.K., Arkadi R., Jörg K. Laser-induced periodic surface structures – a scientific evergreen // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23(3). P. 1–15.

13.       Martínez-Calderon M., Rodríguez A., Dias-Ponte A., Morant-Minana M.C., Gómez-Aranzadi M., Olaizola S.M., Femtosecond laser fabrication of highly hydrophobic stainless steel surface with hierarchical structures fabricated by combining ordered microstructures and LIPSS // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 374. P. 81–89.

14.       Erdoǧan, Öktem B.M., Kalaycıoğlu H. Texturing of titanium (Ti6Al4V) medical implant surfaces with MHz repetition rate femtosecond and picosecond Yb-doped fiber lasers // Opt. Express. 2011. V. 19(11). P. 10986–10996.

15.       Fan P., Zhong M., Li L., Huang T., Zhang H. Rapid fabrication of surface micro-nanostructures with enhanced broadband absorption on Cu by picosecond laser // Opt. Express. 2013. V. 21(10). P. 11628–11637.

16.       Vorobyev A.Y., Guo C.L. Metallic light absorbers produced by femtosecond laser pulses // Advances in Mechanical Engineering. 2010. V. 2. P. 1652–1655.

17.       Zheng B.X., Wang W.J., Jiang G.D. Research status and application prospects of manufacturing technology for micro-nanosurface structures with low reflectivity // J. Engineering Manufacture. 2014. V. 229(11). P. 1877–1892.

18.       Vorobyev A.Y., Topkov A.N., Gurin O.V. Enhanced absorption of metals over ultra-broad electromagnetic spectrum // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95(12). P. 121106.

19.       Vorobyev A.Y., Guo C.L. Colorizing metals with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92(4). P .041914.

20.      Stratakis E., Zorba V., Barberoglou M., Fotakis C., Shafeev G.A. Femtosecond laser writing of nanostructures on bulk Al via its ablation in air and liquids // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255(10). P. 5346–5350.

21.       Deng G.L., Feng G.Y., Liu K. Temperature dependence of laser-induced micro-nanostructures for femtosecond laser irradiation of silicon // Appl. Opt. 2014. V. 53(14). P. 3004–3009.

22.      Song P., Xing P., Chen J. Progress of tungsten foil fabrication // Rare Metal Mat. Eng. 2009. V. 38(1). P. 382–386.

23.      Zhang P., Zhu Q., Qin H., Shen W. Research progress of high temperature materials for aero-engines // Mater Rev. 2014. V. 28(6). P. 27–31+37.

24.      Vorobyev A.Y., Makin V.S., Guo C. Brighter light sources from black metal: significant increase in emission efficiency of incandescent light sources // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102(23). P. 234301.

25.      Irimiciuc S.A., Gurlui S., Bulai G., Nica P., Agop M., Focsa C. Langmuir probe investigation of transient plasmas generated by femtosecond laser ablation of several metals: influence of the target physical properties on the plume dynamics // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 417. P. 108–118.

26.      Seymour R.J., Krupczak J.J., Stegeman G.I. High efficiency coupling to the over coated surface plasmon mode in the far infrared // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44(4). P. 373–375.

27.       Steijn K.W., Seymour R.J., Stegeman G.I. Attenuation of far-infrared surface plasmons on over coated metal // Appl. Phys. Lett. 1986. V. 49(18). P. 1151–1153.

28.      Maier S.A., Andrews S.R., Martin-Moreno L., Garcia-Vidal F.J. Terahertz surface plasmon polariton propagation and focusing on periodically corrugated metal wires // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97(17). P. 176805.

29.      Ritchie R.H. Plasma losses by fast electrons in thin films // Phys. Rev. 1957. V. 106(5). P. 874–881.

30.      Marquier F., Joulain K., Mullet J.P., Carminati R., Greffet J.J. Engineering infrared emission properties of silicon in the near field and the far field // Opt. Commun. 2004. V. 237(4). P. 379–388.

 

 

Полный текст