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《Optics & Laser Technology》：Advancing optoelectronic reservoir computing: enhancing performance through ultrafast neuromorphic hardware technologies

飞秒激光诱导等离子体辅助剥蚀（LIPAA）制备玻璃表面铜金属化层，通过优化单脉冲能量（40 μJ）、扫描速度（100 mm/s）和层数（5层）实现厚度、致密性及铜含量（≥95%）的平衡，并利用氢化还原处理提升金属层附着力，为低成本高精度表面金属化提供新方法。

　　

胡建军|王凯峰|吴超

中南民族大学计算机科学学院，中国湖北省武汉市430074

摘要

作为涂层工艺，玻璃表面的金属化在太阳能电池、显示屏和光学元件领域受到了广泛关注，因为它具有耐磨性、抗氧化性、密封性、导电性和磁导性。本文研究了使用飞秒激光对玻璃表面进行金属化的过程，并分析了激光诱导等离子体辅助烧蚀（LIPAA）在实现玻璃表面金属化中的作用机制。同时，一些样品经过氢化还原处理，将氧化铜还原为铜。此外，还进行了系统的参数研究，以探讨不同单脉冲能量、扫描速度和扫描层数对金属化层的厚度、表面粗糙度、铜含量百分比和致密性的影响。实验结果表明，当扫描速度为100毫米/秒、单脉冲能量为40微焦耳、扫描层数为5层时，可以制备出高质量的金属化层。本研究为玻璃表面的金属化提供了一种新的制备方法，并为该制备过程提供了定量参考。

引言

玻璃表面的金属化是利用玻璃作为基底，通过化学和物理方法将金属沉积在玻璃表面，以实现特定功能[[1], [2], [3], [4], [5]]。与改变整个玻璃的特性相比，表面处理方法更为普遍[[6], [7], [8]]。玻璃表面的金属化就是其中一种方法，它提供了耐磨性、耐腐蚀性、密封性、导电性和磁导性[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。这些特性使得金属化玻璃表面在太阳能电池[15,16]、显示屏[17,18]、建筑[19,20]和汽车[21,22]等领域得到广泛应用，成为了一个新的研究热点。例如，在玻璃表面涂覆银、铝、锌或钛等金属可以提高耐腐蚀性、隔热性和隔音性[23,24]，使其适用于建筑玻璃。在汽车制造领域，铝常用于玻璃的表面金属化，可以提高对红外线和紫外线的反射，从而增强玻璃的隔热性和不透明度[25,26]。在太阳能电池领域，用于封装和保护太阳能电池的玻璃通常会涂覆透明导电氧化物（如氧化锡（SnO₂）或氧化铟锡（ITO）以提高透明度和导电性，显著提升太阳能电池的效率[27,28]。

近年来，开发了许多用于玻璃表面金属化的方法。Sundberg等人使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在热强化过程中在玻璃表面沉积了透明和非晶态的Al₂O₃薄膜，并讨论了金属化后玻璃表面的机械性能[29]。Wang等人使用活化燃烧高速空气燃料（AC-HVAF）喷雾方法在基底上喷涂镍基非晶态金属涂层，并讨论了金属涂层的形成和性能。基底可以是玻璃[30]。Zhang等人使用NaF和HCl的混合溶液对空心玻璃微球（HGMs）进行粗糙处理后，通过化学镀层在HGMs上沉积镍，并分析了镍沉积的均匀性和附着力[31]。Markowska Szczupak等人使用磁控溅射技术在玻璃基底上制备了银、铜和金的单层和双层纳米金属膜，并系统研究了它们的抗菌性能[32]。然而，这些方法存在一些显著缺点：1) 这些方法受环境影响较大，周围的温度、压力和气体组成都会影响金属化的最终效果；2) 操作过程相对复杂且成本较高；3) 玻璃与金属涂层之间的附着力较低，涂层在使用过程中容易脱落。

作为一种新的玻璃表面金属化方法，激光诱导等离子体辅助烧蚀（LIPAA）因其低成本、高加工效率、易于获取和最小的环境污染而受到广泛关注[[33], [34], [35]]。与皮秒和纳秒激光相比，飞秒激光具有更小的热影响区、更高的加工精度和更高的峰值功率，从而产生更大的能量密度。飞秒激光极高的峰值功率和能量密度可以诱导等离子体的产生。因此，研究飞秒激光照射下玻璃与铜之间的相互作用机制具有重要意义。本研究使用飞秒激光对玻璃表面进行金属化，在玻璃上形成了一定厚度的铜金属化薄膜，并利用等离子体溅射阐明了飞秒激光照射下的LIPAA机制。通过比较不同激光参数下玻璃表面金属化层的表面粗糙度、厚度、致密性、铜含量百分比和亮铜区域，确定了合适的加工参数。

实验装置和材料

实验在标准环境条件下进行，温度恒定为25°C，大气压约为101.3 kPa。实验中使用的激光是美国Newport Corporation公司的SPRIT 16 HE SHG飞秒激光器，波长为1040 nm，脉冲宽度为388 fs，焦点直径为14 μm，重复频率为100 kHz。具体的金属化过程如图1所示。

实验中使用的原材料包括

实验结果与分析

首先讨论了不同扫描速度v对金属化处理的影响。实验中使用的激光脉冲宽度t_p = 388 fs，波长λ = 1040 nm，重复频率f = 100 kHz，扫描次数N = 5次，焦点半径r = 18 μm，单脉冲能量E_p = 10 μJ，以不同的扫描速度对玻璃表面进行金属化处理。每个样品扫描5次，初始向下离焦距离为50 μm，如图1(a)所示。

扫描速度同时影响

结论

本研究使用脉冲宽度为388 fs、波长为1040 nm的红外飞秒激光对玻璃表面进行金属化。通过系统评估关键工艺参数（包括单脉冲能量、扫描速度和扫描层数）的影响，确定了适合玻璃表面金属化的工艺参数。这些参数对表面粗糙度、厚度、密度、亮铜区域和铜含量百分比等参数产生了影响。

CRediT作者贡献声明

胡建军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化处理，验证，软件使用，方法论设计，实验研究，数据整理。王凯峰：验证，实验研究。吴超：项目监督，资源调配，项目管理，资金获取，正式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：吴超报告称获得了湖北省重大科技项目的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（项目编号：YZZ17005）、中南民族大学（项目编号：CZP20009）以及2025年湖北省大学生创新创业培训计划项目（项目编号：202510524016）的支持。