摘要：德国联邦材料研究与测试研究所(BAM)与耶拿大学的科研人员综述报道了激光诱导周期性表面结构理论。相关论文以“MaxwellMeetsMarangoni—AReviewofTheoriesonLaser-InducedPeriodicSurfaceStructu

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德国联邦材料研究与测试研究所(BAM)与耶拿大学的科研人员综述报道了激光诱导周期性表面结构理论。相关论文以“MaxwellMeetsMarangoni—AReviewofTheoriesonLaser-InducedPeriodicSurfaceStructures”为题发表在《Laser&PhotonicsReviews》上。

表面纳米结构加工能够调控许多关键的表面特性。随着近期激光技术的快速进步，以高达平方米/秒的速率进行非接触式大面积加工成为可能，这使得在医学、光学、摩擦学、生物学等领域的新工业应用得以实现。另一方面，过去二十年使得在所谓的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）领域的研究取得了极大的成功并变得异常活跃。这些结构类型多样，其特征周期从仅数百纳米（远低于光学衍射极限）到几微米不等，可以通过单步工艺轻松制造，并且可以通过适当选择激光加工条件进行广泛控制。然而，从理论角度来看，关于LIPSS是源于电磁效应还是由物质重组引起的，出现了一场活跃且极具争议的辩论。本文旨在通过回顾当前存在的LIPSS理论及其数值实现，并提供这些方法的比较和批判性评估，来弥合现有LIPSS文献中的空白。

图1在不同飞秒激光辐照条件下，于金属Ti6Al4V钛合金（上行）和介电熔融石英（下行）上生成的不同类型LIPSS（LSFL,HSFL）的SEM图像示例。

图2基于电磁方法（顶部）或物质重组模型（底部）的LIPSS理论发展的历史时间线。

图3根据a)电磁模型和b)物质重组模型，LIPSS形成过程中发生的基本过程。经许可改编。[23]版权2013，日本激光加工学会。

图4LIPSS电磁形成机制示意图。激光辐射（红色）从顶部照射样品。

图5以入射角θ入射的p偏振电磁波（波长λ）与在缺陷（散射中心）处散射产生的表面电磁波（SEW）之间的干涉。表面干涉图样的特征在于由前向（增大）和后向（减小）散射产生的不同周期。

图6解析的Sipe理论与数值FDTD模拟的直接比较。

图7用四种不同的光学涡旋光束辐照硅片获得的表面形貌SEM图像，所有光束均具有环形强度分布以及a)径向偏振图案，b)azimuthal（角向）偏振，c)螺旋偏振，和d)线性偏振。

图8a)在飞秒激光激发的（半）透明材料（红色）体内部形成的局域化纳米等离子体（黄色）。b)通过局域场分布和周期性等离子体片形成，纳米等离子体向平面生长。c)通过光学击穿和烧蚀在表面形成HSFL-I。

图9在800nm波长、2μJ、120fs激光脉冲的时间最大值处，通过3D-FDTD模拟计算出的二氧化硅中电子密度分布。

图10易氧化材料中平行于线性光束偏振方向的界面LSFL形成示意图。

图11基于双温模型（TTM）的LIPSS形成示意图

图12实验研究获得的SEM显微照片（上行）与自组织图案形成的数值模拟（下行）作为辐照剂量函数的比较。请注意，模拟未给出真实比例尺，因为缺少详细的材料参数。

图13通过MD-TTM模拟获得的单脉冲激光激发后不同延迟时间的原子快照序列。原子根据其势能着色，指示固相为深蓝色，液相为浅蓝色，自由表面为绿色，气相为红色。

经过超过五十年的LIPSS研究，包括在世纪之交研究兴趣的持续复兴，当前的知识现状可以总结如下：不同LIPSS理论（电磁学vs.物质重组）的“战斗”/竞争几乎已经结束。这两种理论方法目前正融合成关于这些表面纳米结构的一致观点，根据材料和辐照条件的不同，支持两类理论中某一类的方面可能主导实验观察结果。虽然在大多数情况下，LIPSS的特征是通过粗糙表面的电磁散射和干涉效应，在辐照期间以超快方式通过不同的激发/吸收通道播下种子的，但相关的流体动力学运动和扩散效应可能在更长的时间尺度（直到毫秒量级，取决于材料）上有所贡献。

这种对LIPSS的统一看法之所以成为可能，除其他因素外，还得益于超快时间分辨实验以及开发了多物理场模拟，这些模拟在互补的时空尺度上考虑并连接了这两类理论。除了过去几年发展的显著改进的理论理解之外，人们还可以观察到对LIPSS持续的实际兴趣，例如，为了给表面添加特定的定制功能，加工速率高达平方米/秒，满足当前工业应用的需求。这些实验努力由作者在别处进行了综述。一个持续的研究方向目前正在探索LIPSS形成过程中涉及的化学效应的作用。当前的大多数理论都无法包含这些效应。在可用的方法中，分子动力学（MD）模拟可能在未来提供相关贡献，因为它们可以追踪大量单独的原子/分子，并且可以与FDTD计算耦合。

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来源：江苏激光联盟