DOI: 10.17586/1023-5086-2018-85-02-28-33

Исследование оптических поглощательных свойств поверхности металла, подвернутой микро-наноструктурированию

Liang Haijian, Yang Fengbao, Wang Gao, Guo Yafei, Kang Yuchen, Wang Yanhong, Xue Hongxin, Wei Yanlong

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Haijian Liang, Fengbao Yang, Gao Wang, Yafei Guo, Yuchen Kang, Yanhong Wang, Hongxin Xue, Yanlong Wei Study of the optical and absorption properties of micro-nanostructure on metal surfaces (Исследование оптических поглощательных свойств поверхности металла, подвернутой микро-наноструктурированию) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 2. С. 28–33. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-02-28-33

Haijian Liang, Fengbao Yang, Gao Wang, Yafei Guo, Yuchen Kang, Yanhong Wang, Hongxin Xue, Yanlong Wei Study of the optical and absorption properties of micro-nanostructure on metal surfaces (Исследование оптических поглощательных свойств поверхности металла, подвернутой микро-наноструктурированию) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2018. V. 85. № 2. P. 28–33. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-02-28-33

Ссылка на англоязычную версию:

Haijian Liang, Fengbao Yang, Gao Wang, Yafei Guo, Yuchen Kang, Yanhong Wang, Hongxin Xue, and Yanlong Wei, "Study of the optical and absorption properties of micro-nanostructure on metal surfaces," Journal of Optical Technology. 85(2), 83-87 (2018). https://doi.org/10.1364/JOT.85.000083

Аннотация:

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 процессыпоглощения 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.

Ключевые слова:

фемтосекундный лазер, вольфрам, поглощение, микро-наноструктурирование

Благодарность:

Авторы выражают благодарность рецензентам за их ценные предложения, которые помогли улучшить данное исследование. Авторы также выражают благодарность Национальному фонду естественных наук Китая (грант № 61573323) за их поддержку.

Коды OCIS: 240.6680, 140.3390, 220.4241, 350.4238

Список источников:

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 microhole 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 micronanosurface 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.