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超快激光在块状金属玻璃上的加工应用

光电汇OESHOW

2023-09-17

近日，上海工程技术大学材料科学与工程学院张培磊教授领导的国际研究团队，在光学与激光领域著名期刊Optics & Laser Technology发表题为“Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的综述论文（了解详情点击阅读原文）。

该论文结合作者团队多年的经验与成果，全面回顾了飞秒激光和纳秒激光在金属玻璃表面的加工现状，包括但不仅限于激光与材料相互作用机制、表面微纳结构的制备、对于不同材料性能的提升等。

近年来，激光加工对金属玻璃进行表面改性的研究工作越来越多，表明激光与金属玻璃表面的相互作用很有趣。短脉冲激光和超短脉冲激光加工因其脉冲宽度窄、能量密度高、对材料作用时间短而在该领域最为突出。特别是飞秒激光器和纳秒激光器为金属玻璃（BMGs）的高质量、高效率和低损耗加工提供了巨大的可能性。

笔者在论文中综述了这一特定研究领域，介绍了金属玻璃的性质和应用，飞秒激光器和纳秒激光器的加工特性，并从微观角度解释了激光与金属玻璃之间的复杂过程。此外，本文还分析了微纳结构和宏观形貌，并讨论了微观机理对结构的影响。另一方面，还讨论了微纳结构的性能，包括力学性能、光学性能、润湿性和生物相容性，这对金属玻璃的表面功能化具有重要意义。

作者团队通过实验和模拟发现激光偏振方向的高空频LIPSS与表面上纳米级粗糙度存在联系。使用飞秒激光辐照两种不同表面结构的Zr基金属玻璃表面，如图1所示，通过分析单粒子和多粒子散射特征，提出了HSFL形成的情景，并解释称这种现象依赖于单个各向异性近场增强过程以及入射场和粒子间耦合驱动的集体混合散射和干涉效应。近场增强对于200-400 nm范围内的颗粒尺寸有很大影响，通过反馈机制驱动沿偏振方向的各向异性结构的生长，并且讨论了局部反馈驱动效应和集体散射与HSFL拓扑相关演化一致的潜在情况。并表明散射和与入射场的相互作用有助于LSFL的形成。

图 1.以F=0.38 J/cm²（a,b）和F=0.15 J/cm²（c,d）的线性偏振激光脉冲辐照后BMG（a,c）和CA（b,d）样品表面的扫描电镜图像。插图中显示了CA形状的放大区，以及BMG表面无定形和结晶相的EBSD结构评估。较高通量值（N=1,2,4）时使用的脉冲数较少，而较低通量情况下使用的脉冲数较多（N=20,50,100）。(a)中的插图给出了在N=4时较高通量F=0.6 J/cm²的例子。LSFL表示通常垂直于激光偏振方向形成的LSFL波纹。(a,b)中给出了BMG和CA情况下N=4脉冲时LIPSS的二维傅立叶变换（FT）表示法，显示了LSFL和HSFL的发展及其在空间-频率空间（K空间）中的特定空间周期性。

通过改变纳秒激光器的激光能量密度，在Fe基金属玻璃上面探究了纳米图案的形成，通过三种不同的激光能量密度：0.85 J/cm²、1.39 J/cm²、1.89 J/cm²，实验表明随着激光能量密度的增加，纳米粒子的分布是不同的。

对此，他们还对这种结构的形成及演化进行了讨论(如图2所示)，能量相对较低时，纳米粒子以离散形式出现在照射区域；当将能量增加时，除热影响区外，照射区域呈现出大面积的网络纳米结构。这些网络纳米结构并不总是完全封闭的，尤其是在辐照区域的中心。随着能量进一步增加，整个辐照区域具有热影响区周围的网络纳米结构和位于辐照区域中心的纳米颗粒两种结构。并且，随着激光能量密度的增加，这种纳米粒子的数量不断增多，当数量过多时两两相互连接形成纳米线，或者纳米网格结构，纳米颗粒可归因于激光诱导的元素富集（即无定形氧化铒）及其与基材的润湿性不匹配。此外，在反冲压力和表面形貌的共同影响下，纳米粒子的扩散和连接会导致网络纳米结构的形成。这种纳米颗粒和纳米网格的应用十分广泛，如作为增强材料等。

图 2.左图为：不同激光能量密度下激光照射后铁基MG表面的SEM形貌：(a、b)0.85 J/cm²、(c、d)1.39 J/cm²和(e、f)1.89 J/cm²；右图为：纳米颗粒在Fe基金属玻璃基底上的形成过程示意图。

他们使用飞秒激光探索了纳米结构对细菌粘附的影响，通过不同的激光参数在四个BMG表面上产生了簇状纳米颗粒结构和不同的LIPSS结构，如图3左图所示。测量BMG的表面粗糙度、表面接触角和表面能时，发现抛光表面和LIPSS结构的表面粗糙度和表面能在团簇状纳米颗粒结构外较低，表现出良好的疏水性。在细菌实验中，通过荧光显微镜图像对标本表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行实验，发现当BMG表面疏水性较好时，抗菌能力也较好。此外，他们还从微观和形态两个角度解释了细菌粘附，如图3右图所示。从微观角度，自由细菌粘附过程中两个表面之间的能量用范德华力和库仑力以及布朗运动来解释，从形态学角度，纳米结构表面的曲率和细菌的曲率半径大小决定了抗菌性能的好坏。

图3.左图为：飞秒激光纳米结构表面的形貌：(a)V105s的抛光表面；(b)V105s的纳米粒子结构表面；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的纳米颗粒结构表面；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。右图为：金黄色葡萄球菌在(a)抛光表面、(b)纳米颗粒结构表面和(c)LIPSS上的表面接触状态。表面细菌粘附状态示意图（d）在抛光表面上，(e)在纳米结构表面上和(f)在LIPSS上。

综上所述，金属玻璃作为一种新兴的材料，相较于传统金属材料，金属玻璃有着众多优势，这也使得其在工业或医疗行业中有着巨大的潜力，飞秒激光和纳秒激光的出现让金属玻璃的应用更加广泛。

此外，作者团队在理解上述研究的基础上，也将更进一步的对纳秒激光和飞秒激光加工金属玻璃方向进行研究，提出更多二者相互作用的机制，并用模拟的方式进行体现，为该方向提供更多有力的机理解释。除上述两种激光加工方式外，阿秒激光作为脉冲时间更短的激光，在与金属玻璃的作用中会产生哪些有趣的现象，目前还有待研究，相信这会对金属玻璃的发展提供重要帮助。

作者简介

张培磊 | 教授

2010年毕业于上海交通大学，获博士学位。曾赴中南大学和德国弗朗霍夫ILT激光技术研究所从事访学研究。一直致力于激光与材料相互作用、激光智能制造系统的研究。目前已在激光智能制造领域的国际知名期刊发表 SCI、EI 收录论文100余篇，获得国家发明专利授权12项、实用新型专利授权5项。担任SVOA Materials Science & Technology期刊编委、Coatings期刊特刊编辑、Frontiers in Metals and Alloys期刊评论编辑、焊接杂志社青年编委、《金属加工（热加工）》编委。

张微林

上海工程技术大学硕士研究生，主要研究金属玻璃表面微纳结构的超快激光加工。