德国明斯特应用技术大学、俄罗斯科学院远东分院自动化与过程控制研究所、俄罗斯远东联邦大学一组研究人员报道了激光诱导表面周期性结构对金刚石表面着色的影响的研究。相关研究成果以“Colouration of diamond surfaces by laser-induced periodic surface structuring”为题发表在《Optics & Laser Technology》上。
研究亮点：
•研究了飞秒激光对CVD金刚石表面的加工。
•激光诱导表面周期性结构LIPSS在金刚石上诱导结构色。
•由于层次结构，颜色对角度的依赖性较弱。
•石墨层也在表面形成。
在飞秒激光处理下，化学气相沉积金刚石表面形成激光诱导周期性表面结构(LIPSS)，改变了样品的光学性质，并诱发了表面的强烈着色。实验采用中心波长λ=1030 nm，重复频率f=200 kHz，脉冲T=270 fs的掺镱光纤激光器。研究人员研究了表面结构的形貌、拉曼光谱和反射光谱。观察到的LIPSS周期和拉曼光谱表明，在激光加工过程中，金刚石表面形成了一层石墨层，可能是高定向热解石墨(HOPG)。
关键词：激光诱导表面周期性结构LIPSS;金刚石;结构色;飞秒激光
自从1965年激光诱导表面周期性结构(LIPSS)被发现以来，历经五十多年的发展，LIPSS已被世界广泛认为是激光微纳制造可获得的最独特结构，可在金属，半导体，陶瓷，电解质和聚合物上广泛制备，已被广泛应用于光学、光电、电化学、生物等领域。
本文报道了飞秒激光加工下CVD金刚石的分层激光诱导结构。周期在765-835 nm范围内的LIPSS与鱼鳞状结构叠加。这种结构改变了金刚石表面在可见光范围内的反射光谱，并在一定的入射角和视角范围内诱发出强烈的结构色彩。研究人员研究了该结构的光学性质，并讨论了可能的形成机制，部分原因是因为形成了一层薄薄的石墨化层，增强了入射光耦合。表面的石墨层通过两种不同的方法得到实验证实:拉曼显微镜和表面电导率测量。金刚石表面的石墨层也可以解释观察到的LIPSS周期。
图1所示：(a)飞秒激光照射下CVD金刚石表面LIPSS形成示意图。(b)在不同角度拍摄的阳光照射下的光板光学图像。中图为金刚石样品上激光加工区域的位置和标注。(c)多晶金刚石表面的扫描电镜图像。插图是张特写的SEM图像，其特征LIPSS周期约为830 nm。
采用不同功率的激光对金刚石表面进行均匀烧蚀。实现发现激光加工区域的平均烧蚀深度与入射激光功率几乎呈线性增长，见图2。
图2所示：(a)平均烧蚀深度h(黑色圆圈)和g波段拉曼峰振幅(红色方块)与入射激光平均功率P的关系。(b)原始(红色曲线)和LIPSS纹理CVD金刚石表面(灰色曲线)的归一化拉曼光谱，揭示了激光加工后晶格中激光诱导的无序晶格。
激光烧蚀金刚石伴随着表面光学特性的改变。一方面，改变表面形貌，出现激光诱导表面周期性结构(Laser-Induced Periodic surface Structures, LIPSS)，形成折射入射光的衍射光栅。另一方面，碳可以形成不同的同素异形体，改变表面的电导率和光学常数。值得注意的是，这两种效应密切相关，因为LIPSS的形成受到样品折射率的影响。LIPSS在不同材料中的形成机理一直是激光物理研究的热点。大多数理论都集中在流体动力学或基于干涉的LIPSS理论上;最近，有人提出将干涉与流体力学相结合。从这个角度来看，纯金刚石上LIPSS的形成似乎特别令人兴奋，因为这些理论都不能直接应用于金刚石:(1)表面等离子激元的激发需要形成自由电子气体，并且可以在多光子电离触发的相当高的激光强度下实现。(2)由于碳的熔点极高，可以排除熔化过程，从而排除流体动力过程。此外，在大气环境条件下的激光处理表明，碳更可能与氧气反应燃烧，而不是熔化。
图3所示：分析(a)周期和(b)从SEM图像中确定的LIPSS的角取向色散。对每个视场，分析三幅不同放大倍数的图像(2000、4000、8000，灰色符号)，取结果平均值(红色方块)。
图4所示：CVD金刚石LIPSS的光学性质。(a)处理后的金刚石样品用光学显微镜在0°视角下成像的暗场图像。激光扫描方向用红色箭头表示。插图:用立体显微镜在大约35°的角度观察LIPSS区域。激光加工区域的尺寸为0.5 mm × 0.5 mm。白光光源放置在样品下方。(b)在不同角度观察聚晶金刚石上LIPSS的一系列立体显微镜光学图像。图像的垂直尺寸对应于视场的大小，即0.5 mm;水平比例尺由于样本倾斜而改变。每个图像中都显示了倾斜角度。(c)白光45°入射角照射样品，在不同视角下测量的归一化反射光谱。
图5所示：(a) LIPSS所需的折射率和消光系数。(b)入射激光波与激光光斑中心石墨化碳散射波之间的干涉。如虚线所示，干涉图样与两个波的方向为45。(c) FDTD计算系统的几何图形示意图。(d)在HOPG表面上方1nm处计算的归一化电磁场振幅(E/E0)的横向(平面)分布，HOPG表面包含1030 nm x偏振平面波从顶部照射的对称(左)和细长(右)半椭圆螺距。
图6所示：连接激光处理场的LIPSS填充线的SEM图像。(a)概述显示字段“f”，“d”和“c”(在扫描电镜图像上标记)和线。(b)激光处理的场“f”和线的开头。
图7所示。LIPSS周期与DLOA分析。
图8所示。不同实验观测周期下CVD HOPG对应LIPSS的光学常数。
在这项研究中，证明了由LIPSS形成引起的多晶金刚石的飞秒激光着色，并讨论了该结构形成的可能机制。表面结构的形貌、拉曼光谱和反射光谱分析表明，金刚石表面形成了一层石墨层，可能是高定向的热解石墨。实验结果表明，石墨化金刚石的数量和深度随激光功率的增加而增加。观察到的周期差异与测量的标准偏差相当，并且不影响观察到的结构颜色。反射光谱的宽度可归因于激光加工场中由周期性LIPSS和非周期性缺陷和裂纹组成的分层结构。
