近日，上海工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張培磊教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊，在光學(xué)與激光領(lǐng)域著名期刊Optics & Laser Technology發(fā)表題為“Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的綜述論文（了解詳情點擊閱讀原文）。
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該論文結(jié)合作者團隊多年的經(jīng)驗與成果，全面回顧了飛秒激光和納秒激光在金屬玻璃表面的加工現(xiàn)狀，包括但不僅限于激光與材料相互作用機制、表面微納結(jié)構(gòu)的制備、對于不同材料性能的提升等。
近年來，激光加工對金屬玻璃進(jìn)行表面改性的研究工作越來越多，表明激光與金屬玻璃表面的相互作用很有趣。短脈沖激光和超短脈沖激光加工因其脈沖寬度窄、能量密度高、對材料作用時間短而在該領(lǐng)域最為突出。特別是飛秒激光器和納秒激光器為金屬玻璃（BMGs）的高質(zhì)量、高效率和低損耗加工提供了巨大的可能性。
筆者在論文中綜述了這一特定研究領(lǐng)域，介紹了金屬玻璃的性質(zhì)和應(yīng)用，飛秒激光器和納秒激光器的加工特性，并從微觀角度解釋了激光與金屬玻璃之間的復(fù)雜過程。此外，本文還分析了微納結(jié)構(gòu)和宏觀形貌，并討論了微觀機理對結(jié)構(gòu)的影響。另一方面，還討論了微納結(jié)構(gòu)的性能，包括力學(xué)性能、光學(xué)性能、潤濕性和生物相容性，這對金屬玻璃的表面功能化具有重要意義。
作者團隊通過實驗和模擬發(fā)現(xiàn)激光偏振方向的高空頻LIPSS與表面上納米級粗糙度存在聯(lián)系。使用飛秒激光輻照兩種不同表面結(jié)構(gòu)的Zr基金屬玻璃表面，如圖1所示，通過分析單粒子和多粒子散射特征，提出了HSFL形成的情景，并解釋稱這種現(xiàn)象依賴于單個各向異性近場增強過程以及入射場和粒子間耦合驅(qū)動的集體混合散射和干涉效應(yīng)。近場增強對于200-400 nm范圍內(nèi)的顆粒尺寸有很大影響，通過反饋機制驅(qū)動沿偏振方向的各向異性結(jié)構(gòu)的生長，并且討論了局部反饋驅(qū)動效應(yīng)和集體散射與HSFL拓?fù)湎嚓P(guān)演化一致的潛在情況。并表明散射和與入射場的相互作用有助于LSFL的形成。
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圖 1.以F=0.38 J/cm2（a,b）和F=0.15 J/cm2（c,d）的線性偏振激光脈沖輻照后BMG（a,c）和CA（b,d）樣品表面的掃描電鏡圖像。插圖中顯示了CA形狀的放大區(qū)，以及BMG表面無定形和結(jié)晶相的EBSD結(jié)構(gòu)評估。較高通量值（N=1,2,4）時使用的脈沖數(shù)較少，而較低通量情況下使用的脈沖數(shù)較多（N=20,50,100）。(a)中的插圖給出了在N=4時較高通量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波紋。(a,b)中給出了BMG和CA情況下N=4脈沖時LIPSS的二維傅立葉變換（FT）表示法，顯示了LSFL和HSFL的發(fā)展及其在空間-頻率空間（K空間）中的特定空間周期性。
通過改變納秒激光器的激光能量密度，在Fe基金屬玻璃上面探究了納米圖案的形成，通過三種不同的激光能量密度：0.85 J/cm2、1.39 J/cm2、1.89 J/cm2，實驗表明隨著激光能量密度的增加，納米粒子的分布是不同的。
對此，他們還對這種結(jié)構(gòu)的形成及演化進(jìn)行了討論(如圖2所示)，能量相對較低時，納米粒子以離散形式出現(xiàn)在照射區(qū)域；當(dāng)將能量增加時，除熱影響區(qū)外，照射區(qū)域呈現(xiàn)出大面積的網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)。這些網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)并不總是完全封閉的，尤其是在輻照區(qū)域的中心。隨著能量進(jìn)一步增加，整個輻照區(qū)域具有熱影響區(qū)周圍的網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)和位于輻照區(qū)域中心的納米顆粒兩種結(jié)構(gòu)。并且，隨著激光能量密度的增加，這種納米粒子的數(shù)量不斷增多，當(dāng)數(shù)量過多時兩兩相互連接形成納米線，或者納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，納米顆?？蓺w因于激光誘導(dǎo)的元素富集（即無定形氧化鉺）及其與基材的潤濕性不匹配。此外，在反沖壓力和表面形貌的共同影響下，納米粒子的擴散和連接會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)的形成。這種納米顆粒和納米網(wǎng)格的應(yīng)用十分廣泛，如作為增強材料等。
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圖 2.左圖為：不同激光能量密度下激光照射后鐵基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；右圖為：納米顆粒在Fe基金屬玻璃基底上的形成過程示意圖。
他們使用飛秒激光探索了納米結(jié)構(gòu)對細(xì)菌粘附的影響，通過不同的激光參數(shù)在四個BMG表面上產(chǎn)生了簇狀納米顆粒結(jié)構(gòu)和不同的LIPSS結(jié)構(gòu)，如圖3左圖所示。測量BMG的表面粗糙度、表面接觸角和表面能時，發(fā)現(xiàn)拋光表面和LIPSS結(jié)構(gòu)的表面粗糙度和表面能在團簇狀納米顆粒結(jié)構(gòu)外較低，表現(xiàn)出良好的疏水性。在細(xì)菌實驗中，通過熒光顯微鏡圖像對標(biāo)本表面的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)BMG表面疏水性較好時，抗菌能力也較好。此外，他們還從微觀和形態(tài)兩個角度解釋了細(xì)菌粘附，如圖3右圖所示。從微觀角度，自由細(xì)菌粘附過程中兩個表面之間的能量用范德華力和庫侖力以及布朗運動來解釋，從形態(tài)學(xué)角度，納米結(jié)構(gòu)表面的曲率和細(xì)菌的曲率半徑大小決定了抗菌性能的好壞。
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圖3.左圖為：飛秒激光納米結(jié)構(gòu)表面的形貌：(a)V105s的拋光表面；(b)V105s的納米粒子結(jié)構(gòu)表面；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的納米顆粒結(jié)構(gòu)表面；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。右圖為：金黃色葡萄球菌在(a)拋光表面、(b)納米顆粒結(jié)構(gòu)表面和(c)LIPSS上的表面接觸狀態(tài)。表面細(xì)菌粘附狀態(tài)示意圖（d）在拋光表面上，(e)在納米結(jié)構(gòu)表面上和(f)在LIPSS上。
綜上所述，金屬玻璃作為一種新興的材料，相較于傳統(tǒng)金屬材料，金屬玻璃有著眾多優(yōu)勢，這也使得其在工業(yè)或醫(yī)療行業(yè)中有著巨大的潛力，飛秒激光和納秒激光的出現(xiàn)讓金屬玻璃的應(yīng)用更加廣泛。
此外，作者團隊在理解上述研究的基礎(chǔ)上，也將更進(jìn)一步的對納秒激光和飛秒激光加工金屬玻璃方向進(jìn)行研究，提出更多二者相互作用的機制，并用模擬的方式進(jìn)行體現(xiàn)，為該方向提供更多有力的機理解釋。除上述兩種激光加工方式外，阿秒激光作為脈沖時間更短的激光，在與金屬玻璃的作用中會產(chǎn)生哪些有趣的現(xiàn)象，目前還有待研究，相信這會對金屬玻璃的發(fā)展提供重要幫助。（如有侵權(quán)來電刪除?。?/span>
