飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性 [Modification of Solid Surface Function by Femtosecond Laser Micro and Nanostructuring] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陶海岩，宋晓伟，林景全，薛磊 著

图书标签:

• 飞秒激光
• 表面微纳结构
• 材料科学
• 激光加工
• 功能特性
• 薄膜技术
• 纳米技术
• 光学工程
• 表面工程
• 固体物理

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118112160

版次：1

商品编码：12144474

包装：平装

外文名称：Modification of Solid Surface Function by Femtosecond Laser Micro and Nanostructuring

开本：32开

出版时间：2016-12-01

用纸：胶版

内容简介

　　《飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性》介绍了微纳结构表面的应用背景和发展趋势以及著者近年来在飞秒激光功能微纳结构制备领域取得的一些研究成果，其中包括飞秒激光在金属及硅表面微纳结构的制备，微纳结构表面光学及润湿功能方面的研究，特别对飞秒激光等离子细丝曲面微纳制备技术进行了阐述，并进一步介绍这些制备技术的应用领域及未来前景。
　　《飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性》可供从事与光学学科相关专业的师生以及科研人员学习和参考，也可作为光电信息科学与工程专业、应用物理专业、电子科学与技术专业及机械专业本科生的教材。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 引言
1．2 自然界中微纳结构引起的奇特功能
1．2．1 微纳结构导致的生物体表面颜色改变
1．2．2 微纳结构的润湿特性
1．2．3 多尺寸复合结构引起的多功能特性集成
1．3 表面功能微纳结构在“绿色技术”中的应用
1．3．1 能源高效率利用和产品寿命延长
1．3．2 环保生产和产品的开发
1．3．3 芯片实验室
1．3．4 太阳能的利用和开发
1．4 脉冲激光制备功能表面的研究进展
1．4．1 脉冲激光诱导固体表面亚波长波纹结构
1．4．2 飞秒激光调控固体表面光学性能
1．4．3 脉冲激光调控固体材料表面润湿性能
1．4．4固体材料表面多功能的集成
1．5 曲面激光微结构制备的概况

第2章 飞秒激光诱导金属表面亚波长周期性波纹结构
2．1 引言
2．2 实验装置和实验方法
2．3 实验结果与初步分析
2．4 亚波长形成机理分析与数值计算
2．5 飞秒激光作用下金属表面超快热力学过程的研究
2．5．1 超快热力学过程物理模型的建立
2．5．2 数值差分方法
2．5．3 数值模拟结果与讨论
2．6 本章小结

第3章 飞秒激光硅表面微纳结构的制备及其光学特性
3．1 引言
3．2 SF6气体环境中黑硅的制备研究
3．2．1 实验过程与制备方法
3．2．2 实验结果与讨论
3．3 飞秒激光直接在大气环境下制备新型黑硅的实验研究．
3．3．1 实验方法与表征方法
3．3．2 实验结果与讨论
3．4 本章小结

第4章 飞秒激光金属表面着色技术
4．1 引言
4．2 实验装置与方法
4．3 金属铝表面激光着色及其成色机理
4．4 大面积NC-LIPSS的飞秒激光制备技术及其光学特性研究
4．5 本章小结

第5章 黑金属的制备与宽光谱高吸收机理的数值模拟
5．1 引言
5．2 飞秒激光制备宽光谱高吸收黑金属的实验研究
5．3 黑金属吸波模型的建立与计算方法
5．4 亚微米光栅结构陷光特性的研究
5．4．1 光栅宽度和间距不变条件下光栅周期对反射率的影响
5．4．2 光栅宽度、深度不变条件下光栅间距对反射率的影响
5．4．3 光栅间距、深度不变条件下光栅宽度对反射率的影响
5．4．4 微腔效应在光吸收中的作用
5．5 其他亚微米结构陷光特性的研究
5．6 纳米颗粒在宽谱陷光中作用的研究
5．6．1 模型介绍与模拟方法
5．6．2 模拟结果与讨论
5．7 本章小结

第6章 飞秒激光诱导金属、半导体微纳结构的润湿特性及其多功能集成
6．1 引言
6．2 飞秒激光制备金属、硅表面“输水”功能结构
6．2．1 实验测量方法
6．2．2 实验结果与讨论
6．3 飞秒激光制备金属表面超疏水功能结构的研究
6．3．1 实验装置与表征方法
6．3．2 实验结果与讨论
6．4 双特性支持下的多功能表面的获得
6．5 多功能微纳结构在太阳能热电发电的应用研究
6．5．1 实验装置与测量方法
6．5．2 实验结果与讨论
6．6 本章小结

第7章曲面样品表面功能微纳结构的飞秒激光制备技术
7．1 引言
7．2 实验装置及实验方法
7．3 实验结果与讨论
7．3．1 多功能典型微纳结构从平面到非平表面的拓展
7．3．2 丝不同位置对金属表面微结构的影响
7．3．3 细丝不同入射角度对金属表面微结构的影响
7．3．4 激光不同偏振方向和偏振态对金属表面微纳结构的影响
7．4 飞秒激光制备柱形微结构形成机理分析与数值模拟
7．4．1 柱状微结构形成机理分析
7．4．2 选择性激光烧蚀的数值模型建立
7．4．3 数值计算结果与讨论
7．5 本章小结

参考文献

前言/序言

　　在自然界生物表面各种功能性微纳结构的启示下，人们通过应用飞秒激光在金属、半导体等表面制备出各种形貌类型的微纳结构，达到改善材料表面性能的目的。固体表面新功能的实现及其技术的发展可以有效地为人类的生活和生产服务。例如，可以对这些功能微纳结构进行材料表面的光学、润湿等性能的调控。固体表面功能性微纳结构的制备技术对实现高效太阳能的利用、金属表面润滑的改善及防腐自清洁、吸波材料等诸多领域的应用有着深远的意义。
　　本书着重对飞秒激光在金属、半导体表面微纳结构的制备及其特性进行系统阐述，主要内容包括：飞秒激光诱导金属表面亚波长周期性波纹结构；飞秒激光硅表面微纳结构的制备及其光学特性；飞秒激光金属表面着色技术；黑金属的制备与宽谱高光吸收机理的数值模拟；飞秒激光诱导金属、半导体微纳结构的润湿特性及其多功能集成；曲面样品表面功能微纳结构的飞秒激光制备技术等。具体安排如下：
　　第1章绪论。介绍自然界中功能微纳结构的特点和奇特功能，简述微纳结构在绿色技术发展中的作用和地位，综述激光制备固体表面微结构和功能特性的研究进展。
　　第2章飞秒激光诱导金属表面亚波长周期性波纹结构。给出利用工作频率为10Hz飞秒激光在金属铝表面激光诱导周期波纹结构（LIPSS）的实验工作结果，进一步，结合数值模拟针对波纹结构形成机理、周期变小、纳米结构形成、周期波纹结构消失等实验现象和问题展开分析与讨论。
　　第3章飞秒激光硅表面微纳结构的制备及其光学特性。使用重复频率为10Hz飞秒激光和lkHz飞秒激光分别进行硅表面微纳结构的定点制备与扫描大面积制备的讨论。结合实验数据对微结构形成机理和光吸收机制进行分析与解释，以及在大气环境下新型黑硅的制备和研究。
　　第4章飞秒激光金属表面着色技术。主要描述使用lkHZ飞秒激光在金属表面开展激光着色，同时进行大面积NC-LIPSS制备的研究。
　　第5章黑金属的制备与宽谱高光吸收机理的数值模拟。针对应用更加广泛的黑金属展开多种典型结构黑金属的制备研究。通过对反射率和微观形貌的描述分析了光吸收机理。为更好地解释黑金属光吸收机制，利用FDTDSolutions数值仿真软件对黑金属典型纳米结构进行建模模拟，对超宽光谱吸收进行深入讨论。
　　第6章为飞秒激光诱导金属、半导体微纳结构的润湿特性及其多功能集成。为进一步拓展黑金属的应用，开展具有微米光栅沟槽和微柱典型结构的黑金属表面润湿特性的研究，讨论多种功能集合的应用意义并开展多功能微纳结构增强太阳能热电发电效率的研究。
　　第7章曲面样品表面功能微纳结构的飞秒激光制备技术。为解决曲面样品上激光加工的难题，重点展开飞秒激光等离子细丝在非平面金属表面微纳功能结构的制备研究，并研究实验参数对表面微观形貌的影响，通过实验数据提出微结构形成机理解释模型，再通过数值模拟对实验现象进行解释和讨论。
　　该书的读者对象主要为物理、材料、机械、电子等领域的研究人员和技术人员，同时也可作为相关专业高年级本科生、研究生以及大专院校教师的授课教材。

封面信息： 书名： 飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性 英文书名： Modification of Solid Surface Function by Femtosecond Laser Micro and Nanostructuring 作者： [作者姓名] 出版社： [出版社名称] 出版日期： [出版日期] ISBN： [ISBN号] --- 图书简介： 本书深入探讨了飞秒激光技术在固体材料表面微纳结构制备领域的最新进展及其所带来的功能特性调控。飞秒激光，因其极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，能够在材料表面引发一系列独特的非线性相互作用，实现传统加工方法难以企及的超精细、超快速、低损伤的加工效果。本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解飞秒激光与材料表面相互作用的物理机制，掌握精密微纳结构的设计与制备方法，并着重阐述这些结构如何赋予材料全新的、增强的功能。 第一部分：飞秒激光与材料表面的相互作用机制 本部分将详细剖析飞秒激光与固体材料表面相互作用的物理本质。我们将从激光与物质相互作用的基本原理出发，深入阐述飞秒激光的超短脉冲特性如何影响其与材料的能量耦合过程。例如，与长脉冲激光不同，飞秒激光的能量注入速度远超电子-晶格弛豫时间，导致电子的吸能过程以非热机制为主。我们将详细介绍等离子体形成、电子-激励、多光子吸收、雪崩电离等关键过程，以及这些过程如何导致材料的相变、熔化、汽化甚至等离子体膨胀。 此外，我们还将探讨飞秒激光在材料表面引发的独特现象，如“冷加工”效应、光学损伤阈值、激光诱导周期性损伤（LIPSS）的形成机制，以及其与激光参数（如波长、脉冲能量、重复频率、光束质量）和材料性质（如带隙、折射率、热导率）之间的复杂关系。理解这些机制是精确控制微纳结构形成、优化加工参数的关键。 第二部分：飞秒激光制备微纳结构的技术与方法 本部分将系统性地介绍利用飞秒激光制备各种微纳结构的工艺技术。我们将首先讨论单脉冲和多脉冲激光与材料相互作用的动力学过程，以及如何通过优化激光参数（如脉冲数量、扫描速度、能量密度）来控制加工精度、去除率和表面形貌。 接着，我们将详细介绍几种主要的飞秒激光微纳加工技术： 直接飞秒激光烧蚀（Direct Femtosecond Laser Ablation）： 这是最基本和广泛应用的加工方法，通过精确控制激光束的扫描轨迹和能量密度，在材料表面形成预设的三维微纳结构。我们将讨论光刻掩模辅助烧蚀、聚焦阵列烧蚀等改进技术，以提高加工效率和复杂性。 飞秒激光诱导周期性损伤（Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures, LIPSS）： 这一章节将深入研究LIPSS的形成机理，包括浅层衍射理论、表面等离子体理论等，并详细介绍如何通过调控激光参数（如偏振态、扫描方向、能量密度）来控制LIPSS的周期、取向和形貌，从而实现表面功能的调控。 飞秒激光诱导材料转移与沉积（Femtosecond Laser-Induced Material Transfer and Deposition）： 我们将探讨如何利用飞秒激光的能量在液体或固体基底上实现微纳材料的精确转移和沉积，例如飞秒激光诱导前向转移（LIFT）技术，以及其在微电子、生物传感器等领域的应用。 飞秒激光辅助微纳光刻（Femtosecond Laser-Assisted Micro- and Nanofabrication）： 结合光刻技术，飞秒激光可以实现更高分辨率的图案化。我们将介绍飞秒激光在微纳光学器件、集成电路等领域的光刻应用。 飞秒激光与化学协同作用（Femtosecond Laser-Assisted Chemical Modification）： 飞秒激光还可以与化学反应协同，例如在溶液中实现选择性腐蚀或沉积，制备更加复杂的微纳结构。 此外，本部分还将涵盖在不同材料体系（金属、半导体、陶瓷、聚合物、复合材料）中应用飞秒激光制备微纳结构的具体案例和挑战，并讨论表面粗糙度、形貌均一性、精度控制等关键技术问题。 第三部分：飞秒激光制备微纳结构的功能特性调控 本部分是本书的核心，将聚焦于飞秒激光制备的微纳结构如何赋予固体材料表面全新的、增强的功能特性。我们将从多个维度进行阐述： 光学功能调控： 减反射与增透： 通过在材料表面制备微纳周期结构（如亚波长脊、圆柱阵列），可以有效降低表面反射率，实现超宽带、高效率的减反射功能，应用于太阳能电池、光学镜头、显示器件等。 结构色： 精确控制微纳结构的尺寸和周期，使其与可见光发生衍射、干涉等作用，从而产生无需染料的自然颜色，应用于防伪标识、装饰材料、传感器等。 表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）： 在金属表面制备纳米结构，可以激发出SPR效应，对外界电磁场和分子变化极其敏感，是构建SPR传感器的基础。 光散射与漫反射： 通过控制表面粗糙度和微纳形貌，可以实现高效的光散射，应用于漫反射材料、光学均匀化等。 激光诱导荧光增强/抑制： 特定微纳结构可以改变光场分布，从而增强或抑制材料的荧光发射。 表面润湿性与流体输运调控： 超疏水/超亲水表面： 通过在材料表面构建微米或纳米尺度的粗糙结构，并结合低表面能或高表面能材料，可以实现超疏水（接触角>150°）或超亲水（接触角<10°）表面。这些表面在自清洁、防水、抗污、微流控等领域具有广泛应用。 定向液体输运： 通过设计具有特定沟槽、梯度结构或毛细效应的微纳结构，可以实现液体的定向、高效输运，应用于微流控芯片、液体泵、散热等。 力学与耐磨损性能调控： 减摩与抗磨损： 在表面制备特定的微纳纹理，如沟槽、凹坑，可以改变摩擦机制，降低摩擦系数，提高耐磨损性能，应用于发动机部件、轴承、模具等。 表面硬化： 飞秒激光的能量注入还可以导致材料表面发生相变或生成硬质相，从而提高材料的表面硬度和耐腐蚀性。 生物医学功能调控： 抗菌表面： 在材料表面制备具有特定形貌的微纳结构，如抗菌素载体或能够机械杀灭细菌的尖锐结构，可以赋予材料良好的抗菌性能。 细胞行为调控： 不同的表面微纳形貌可以影响细胞的粘附、增殖、分化等行为，为组织工程、生物传感器等提供了新的研究方向。 药物释放与控制： 将微纳结构作为药物载体，可以实现药物的精确控制释放。 其他功能特性： 催化性能增强： 微纳结构的增大表面积以及可能存在的量子尺寸效应，可以显著提高材料的催化活性。 储能性能优化： 在电极材料表面制备高比表面积的微纳结构，有助于提高电池、超级电容器的能量密度和功率密度。 传感器件： 利用飞秒激光制备的微纳结构对外界物理、化学、生物信号的敏感性，可以构建高性能的各类传感器。 第四部分：应用前景与未来发展趋势 本部分将对飞秒激光微纳结构制备技术在各个领域的应用前景进行展望，并探讨该领域的未来发展趋势。我们将分析当前面临的挑战，如加工效率、成本控制、规模化生产、复杂三维结构的制备等，并提出可能的解决方案。 未来发展方向可能包括： 更高效率、更低成本的飞秒激光器和加工系统： 推动飞秒激光技术从实验室走向工业化应用。 多功能一体化制备： 将微纳结构制备与材料表面改性、涂层沉积等工艺相结合，实现功能的一体化。 智能与自适应结构： 探索制备能够响应外界环境变化的智能微纳结构。 生物启发式与仿生学设计： 从自然界中汲取灵感，设计出更具功能性的微纳结构。 跨学科融合： 加强物理、化学、材料科学、工程学、生物学等多学科的交叉融合，催生新的应用领域。 本书内容涵盖了飞秒激光与材料表面相互作用的深层机理，详尽介绍了多种微纳结构制备技术，并重点阐述了这些结构赋予材料的广泛功能特性，为读者提供了一个关于飞秒激光精密制造及其功能调控的全面而深入的知识体系。本书适合从事材料科学、光学工程、机械工程、微纳制造、生物医学工程等领域的研究人员、工程师以及相关专业的研究生阅读。 ---

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计相当吸引人，那种深邃的蓝色背景，搭配上复杂的、仿佛蕴含着某种精妙物理过程的抽象图案，让人第一眼就感受到一种科技前沿的神秘感。书名虽然有些专业，但“飞秒激光”、“固体材料”、“微纳结构”、“功能特性”这些关键词组合在一起，勾勒出了一个充满挑战和潜力的研究领域。我本身对材料科学有着浓厚的兴趣，尤其是在微观尺度上探索材料的奥秘，这总是能激发起我无限的好奇心。这本书的书名恰恰击中了我的关注点，它暗示着作者在飞秒激光这一高精密技术领域有着深入的研究，并且能够利用它来精确地操纵固体材料的表面，创造出微小的、甚至纳米级别的结构。这背后蕴含的技术难度和创新性是显而易见的。我非常期待能够了解飞秒激光是如何做到这一点的，它的作用机理是什么，以及由此形成的微纳结构究竟能带来哪些意想不到的“功能特性”。是光学性能的改变？电学特性的优化？还是表面物理化学性质的革新？这些都让我充满了遐想。这本书的书名给我一种感觉，它不仅仅是介绍一种技术，更是关于如何通过精细的工程化手段，从根本上改变材料的本质，赋予其新的生命和用途。这种探索未知、创造价值的精神，正是吸引我深入阅读的强大动力。

评分☆☆☆☆☆

从书名来看，这本书似乎深入探讨了飞秒激光在材料表面改性领域的应用，特别是微纳结构的制备。我一直对激光技术在工业制造和科学研究中的发展趋势感到好奇，而飞秒激光无疑是其中一个极具代表性的前沿技术。它极短的脉冲持续时间，使得在材料加工过程中能够实现极高的能量密度，并且对周围材料的热影响极小，这对于制备精细的微纳结构至关重要。书名中“固体材料表面微纳结构制备”这一部分，直接点明了核心技术内容，我设想书中会详细介绍飞秒激光与各种固体材料（例如金属、半导体、陶瓷等）相互作用的物理过程，包括光吸收、等离子体激发、材料烧蚀、重凝等一系列复杂现象。同时，对于如何精确控制激光参数（如脉冲能量、重复频率、扫描速度、聚焦方式等）来获得特定形貌和尺寸的微纳结构，必然是书中浓墨重彩的部分。我期待书中能够展示一些典型的微纳结构案例，比如周期性的纳米光栅、随机分布的微孔阵列、或者具有特定拓扑结构的表面等，并通过大量的实验数据和显微图像来佐证。这种对精细化加工能力的深入剖析，对于理解现代先进制造技术的发展方向非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的书名“飞秒激光固体材料表面微纳结构制备及其功能特性”的第一印象是，这很可能是一本深入探讨高科技材料加工技术的专业书籍。飞秒激光的超快特性，为我们提供了前所未有的精度来操纵物质，尤其是在固体材料的表面。我特别好奇这本书会如何阐述“微纳结构制备”这个环节。是会介绍不同类型的飞秒激光加工技术，例如直写、掩模曝光、或者激光诱导表面重构？还是会详细讨论在不同材料体系（如金属、半导体、绝缘体）上制备特定微纳结构的工艺参数和挑战？此外，“功能特性”的引入，暗示了这本书的落脚点在于实际应用，我非常期待书中能够展示这些微纳结构是如何改变材料的宏观性质的。比如，通过在金属表面形成纳米坑洼，可能会显著提高其催化活性；而在聚合物表面生成微米尺度的凹凸结构，则可能产生仿生学上的超疏水性。这种从微观结构到宏观功能的转化，是材料科学的核心课题，也是本书最吸引我的地方。我希望这本书能够提供详细的实验数据、显微图像以及功能测试结果，来佐证其论点。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，尤其是“飞秒激光”、“固体材料”、“微纳结构”这几个关键词，给我一种非常前沿和精密的科学感。我一直对纳米技术的应用非常感兴趣，而飞秒激光恰恰是实现纳米尺度加工的利器。书名中“制备”这个词，让我期待书中会详细介绍飞秒激光是如何精确地雕刻、蚀刻、或者沉积材料，从而在固体表面形成具有特定尺寸和形貌的微纳结构。我设想书中会包含大量关于激光与物质相互作用的物理化学原理的阐述，以及各种实验技术和设备的使用介绍。例如，如何选择合适的激光波长、能量密度、脉冲形状，以及如何控制扫描路径和曝光时间，来达到理想的结构效果。更让我好奇的是“功能特性”这一部分。这暗示了书中不仅仅是介绍一种加工手段，更是要探讨这些精细结构如何赋予材料新的性能。我期待书中能展示一些令人惊叹的例子，比如如何利用飞秒激光在材料表面构建出能够高效收集太阳能的微纳结构，或者如何制备出具有超强吸附能力的纳米网格。这种将基础研究与实际应用潜力相结合的探讨，是我认为一本优秀的科技书籍所应具备的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，特别是“功能特性”这几个字，让我感到非常兴奋。这意味着它不仅仅是关于技术本身，更在于这项技术所带来的实际应用价值和潜在突破。飞秒激光制备的微纳结构，很有可能在光学、电子、生物医学、能源等多个领域产生革命性的影响。例如，通过在材料表面构建特定的微纳结构，可以大幅度提升其光学性能，例如实现超疏水、超亲水、抗反射、甚至隐身效应。在电子领域，微纳结构可以用于构建高性能的传感器、新型的电极材料、或者优化器件的散热性能。在生物医学方面，微纳结构可能被用于药物缓释载体、抗菌表面、或者提高细胞与材料的相互作用效率。我预感这本书会提供大量的案例研究，展示飞秒激光如何通过精准调控材料表面的形貌，来赋予材料全新的、或者显著增强的功能。书中或许会涉及一些理论模型的构建，来解释这些功能特性产生的根本原因，比如量子尺寸效应、表面等离子体共振、或者特殊的界面物理化学性质。这种将基础研究与实际应用紧密结合的视角，是科研书籍中最具价值的部分之一。