科学家利用飞秒激光刻蚀技术实现了金属表面特性的精确控制

美国纽约罗彻斯特大学光学研究所的郭春雷教授联合穆罕默德·埃尔卡巴什教授，在等离激元杂交模型的指导下，利用飞秒激光加工技术控制表面纳米结构的形态，从而实现对光谱吸收的更多控制，并首次证明了可以将飞秒激光诱导的金属表面用于高温选择性太阳能吸收器。

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飞秒激光直接加工技术是一种经济高效，无掩模且可扩展的制造技术，已广泛用于有效修改材料的光、电、机械和摩擦学特性。飞秒激光脉冲加工产生的随机结构可以表现出材料功能化的理想特性，例如:完美的光吸收、超疏水性和超亲水性等，在生物医学、环境和能源领域有许多潜在应用。

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但是，由于产生的表面结构的大小、几何形状和密度的具有随机性，难以精确控制表面结构的性质，最终在实际设备中运用经飞秒激光诱导的表面仍然具有很大的挑战性。为了提供对飞秒激光诱导的表面结构的更多控制，过去的研究主要集中在增强周期性微结构的均匀性上。已有的研究表明，一维飞秒激光诱导的周期性表面结构，具有可在多种材料上实现的亚波长周期性。虽然这些研究表明飞秒激光加工具有产生更规则的表面特征的能力，但没有证明具有精确设计表面特性的能力。

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郭春雷课题组通过等离振子共振尺寸效应和等离激元杂交模型来控制表面纳米结构的形貌，进一步控制经飞秒激光诱导的金属表面的光学性质。研究人员利用飞秒激光脉冲蚀刻具有纳米级结构的金属表面，通过修改飞秒激光加工参数来调节随机分布的纳米结构的尺寸和密度，从而改变经飞秒激光诱导的表面结构的光吸收能力。使该表面选择性地仅吸收太阳光波长的光，而不吸收其他波长的光。

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该表面不仅增强了从阳光中吸收能量的能力，而且还减少了其他波长的热耗散，实际上是“首次制造出完美的金属太阳能吸收器”。为了拓展这种通过飞秒激光诱导来控制金属表面的光吸收能力的应用，研究人员还通过实验证明了该技术在铝、铜、钢和钨等金属上的光吸收能力调控，提出了选择性太阳能吸收器和宽带吸收器，并首次证明了可将飞秒激光诱导的表面用作高温选择性太阳能吸收器，基于钨的选择性太阳能吸收器具有最高的太阳能吸收效率，表现出作为高温太阳能接收器的出色性能。