水下持续气泡辅助飞秒激光烧蚀实现分层微纳结构加工

摘要： 在本研究中，我们展示了一种名为"水下持续气泡辅助飞秒激光液体烧蚀（UPB-fs-LAL）"的技术，该技术通过在硅基底上形成具有毫米级尾迹的同心圆宏观结构，极大拓展了激光烧蚀表面微/纳结构化的边界。这些长尾宏观结构由分层扇形（中心角45-141°）微/纳结构组成，它们是在UPB-fs-LAL逐线扫描过程中，通过扇形光束在移动气泡界面（≥50°光倾斜角，即垂直入射方向）折射产生的。UPB-fs-LAL过程中产生的马兰戈尼流会驱动气泡移动——快速扫描（如1 mm/s）可使气泡移动长达2 mm，而慢速扫描（如0.1 mm/s）则抑制气泡移动。当持续气泡因孵育效应显著增大（如直径达数百微米）时，其粘性会导致在气泡中心和外围区域同时发生气相与液相激光烧蚀，从而形成周期为550-900 nm（低频）、100-200 nm（高频）和40-100 nm（超高频）的激光诱导周期性表面结构（LSFLs/HSFLs/UHSFLs），最终产生复杂的分层表面结构。其中40 nm周期（小于激光波长1030 nm的1/25）是迄今在硅上实现的最精细激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。通过UPB-fs-LAL在小线间距（5 μm对比10 μm）条件下获得的扇形分层结构，因其额外层级和更精细HSFLs带来的极高光捕获能力与吸收特性，展现出极低的近红外-中红外反射率/透射率。若无持续气泡存在，则仅产生覆盖周期大于100 nm HSFLs的沟槽，这揭示了不同曲率持续气泡对激光参数（如重复频率、能量、入射角等）具有独特的衰减调控能力。本研究为多样化微/纳结构制备提供了一种简便经济的通用方案，适用于多种应用场景。