通过偏振控制下的飞秒激光纹理化技术调整铝表面的光学响应和润湿性

《Optics & Laser Technology》：Tuning optical response and wettability of aluminum surfaces via polarization-controlled femtosecond laser texturing

　　

摘要

飞秒激光纹理处理提供了一种非接触式的手段，可以改变金属表面的光学特性和润湿性能。本文通过比较在线性和圆偏振条件下相同能量密度和扫描参数下的处理效果，研究了激光偏振对商用镜面抛光Al 5005-H34材料的影响。处理后的表面通过扫描电子显微镜（SEM）、光学轮廓测量、水接触角测量、能谱分析（EDS）以及紫外-可见光-近红外反射光谱进行分析。实验结果显示，不同偏振方式导致了截然不同的表面演变过程：在线性偏振下，水接触角随能量密度增加而增大，达到128.9°；而在圆偏振下，水接触角则减小至36.4°。圆偏振处理还导致了更宽的粗糙度分布，并且始终呈现出较低的光学反射率（通常在可见光范围内低于15%），而线性偏振处理的表面反射率变化范围较大。高倍率SEM观察发现，在某些圆偏振处理区域存在局部的激光表面起伏（LSFL），重新照射后的样品中这种结构的特征周期为484 ± 41纳米。基于圆偏振的二次图案化处理能够制备出具有超亲水性的表面（接触角θ<10°），同时保持较低的反射率。EDS分析表明，表面化学成分与激光诱导的微观结构共同影响了材料的润湿行为。这些结果表明，偏振是一个实用的处理参数，能够同时调控铝材料的微观形态、润湿性和光学特性，对于光热水管理和多功能表面的定制具有潜在应用价值。

章节摘录

引言

在自然界中，许多功能性表面表现出跨多个长度尺度的复杂组织结构，为生物体提供了关键的生存优势。典型的例子包括蝴蝶翅膀，其特殊的颜色是由纳米结构中的光干涉效应产生的，而非色素作用；以及莲花的叶子，它们具有出色的防水特性[1][2]。这种现象通常被称为“莲花效应”，其形成机制涉及多层次的微结构和

用于制备纹理铝表面的光学系统如图1(a)所示。该激光微加工设备采用商用Ti:sapphire飞秒激光器（TiF-15，Atseva），并通过Coherent Legend Elite HE+系统进行能量放大，该系统由Revolution泵浦激光器驱动。该系统能够输出中心波长为800纳米、脉冲宽度为120飞秒、重复频率为5千赫的激光脉冲。在放大器输出端，激光束会经过一个半波片衰减器

本研究分为两个主要实验部分：首先，研究了激光偏振和脉冲能量密度对铝表面性能的影响，实验对象为1×1平方厘米的激光纹理区域；其次，对部分经过圆偏振处理的表面进行二次 irradiation（重新照射），以进一步增强其润湿性和降低反射率。

为了探究激光偏振和能量密度对表面性能的影响

超亲水性与低反射率的结合激发了我们进行概念验证实验的动机。实验在2024年8月至10月期间于墨西哥埃森纳达（Ensenada）的户外自然阳光下进行。每日太阳辐照量是通过CMP11 Kipp & Zonen日射强度计（测量范围0–4000 W m?2，精度±10 W m?2）每5分钟测量一次全球水平辐照度所得。根据不同时间段的测量结果，每日太阳辐照量介于4.2至6.2千瓦时/平方米之间

实验结果表明，即使能量密度和扫描参数相同，激光偏振也会改变Al 5005-H34表面的演变过程。这一现象与先前的超短脉冲研究结果一致，即偏振可以影响材料的烧蚀阈值、效率、表面形态和对称性[23][24][25]。然而，这种影响取决于具体的材料和加工工艺；因此，当前的结果应基于实测数据进行分析

本研究通过控制激光偏振这一实验变量，研究了其对飞秒激光纹理Al 5005-H34表面演变的影响。通过比较在线性和圆偏振条件下的处理结果，发现偏振状态的改变显著改变了表面的烧蚀形态，进而影响了其光学和润湿性能。

最明显的

Leydy Velasco-Pardo：方法研究、数据管理。Paulina Segovia-Olvera：写作、审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、数据分析、概念构思。Francisco Carranza-Chávez：监督、方法研究、数据分析。Uriel Caudillo-Flores：方法研究、数据管理。