近日，上海工程技術大學材料科學與工程學（xué）院張培磊（lěi）教授領導的國際研究團隊（duì），在光學與激光領域（yù）著名期刊Optics & Laser Technology發表題為“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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該論文結合作者團隊（duì）多年的經驗與成果，全麵回顧了飛（fēi）秒激光和（hé）納秒激光在金屬玻璃表（biǎo）麵的加工現狀，包括但不僅限於激光與材（cái）料相互作用機製、表麵微納結（jié）構（gòu）的製備、對於不同材料性能的提升（shēng）等。
近年（nián）來，激（jī）光加工對金屬玻璃進行表麵（miàn）改性的（de）研究工作越來越多，表明激光與金屬玻璃表麵的相互作用很有趣。短脈衝激光和超短脈衝激光加工因其脈衝寬度窄、能量密度高、對材料作用時間短而在該領域最為突出。特別是飛秒激光器和納秒激光器為金屬玻璃（BMGs）的（de）高質量、高效率和低損耗加（jiā）工提（tí）供了巨大的可能性。
筆者在論文中（zhōng）綜述（shù）了這一特定研究領（lǐng）域，介紹了金屬玻璃的性質（zhì）和應用，飛秒激光器和納秒激光器的加工特性，並從微觀角度解釋了激光與金屬（shǔ）玻璃之間（jiān）的複雜過程。此外，本文還分（fèn）析（xī）了微（wēi）納結構和宏觀形貌，並討論了微觀機理對結構的影響。另（lìng）一方麵，還討論了微納結構的性能，包括力（lì）學性（xìng）能、光學性能、潤濕性和生物相容性，這（zhè）對金屬玻璃的表麵功能化具（jù）有重要（yào）意義（yì）。
作者團隊（duì）通（tōng）過實驗和模擬發現激光偏振方向的高空頻LIPSS與表麵（miàn）上納米級粗糙度存在聯係。使用飛秒（miǎo）激光輻照兩種不同表麵結構的Zr基金屬玻璃表麵，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（xíng）成的情（qíng）景，並解釋稱這種現象（xiàng）依賴於單個各向（xiàng）異（yì）性近場增強（qiáng）過程以及入射場（chǎng）和粒（lì）子間耦合驅動的集體混合散射和幹（gàn）涉效（xiào）應。近場增強對於200-400 nm範圍內（nèi）的顆粒尺寸有很大影響，通過反饋機製驅動沿偏振方向的各向異性結構的生長，並且討論了局部反饋驅動效應和集體散射與（yǔ）HSFL拓撲相（xiàng）關（guān）演（yǎn）化一致的潛在（zài）情況。並表明散射和與入（rù）射場的相互作用有助於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（guāng）脈衝輻（fú）照後BMG（a,c）和CA（b,d）樣品表麵的掃（sǎo）描電鏡圖（tú）像。插圖中顯示了CA形狀的放（fàng）大區，以及BMG表麵（miàn）無定形（xíng）和（hé）結晶（jīng）相的EBSD結構評估。較高通量值（N=1,2,4）時（shí）使用（yòng）的脈衝數較少，而較低通（tōng）量情況下使用的脈衝數較多（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表示通常垂直於激（jī）光偏振（zhèn）方向形（xíng）成的LSFL波紋。(a,b)中給出了BMG和CA情況下N=4脈衝時LIPSS的（de）二維傅立葉變換（huàn）（FT）表示法，顯（xiǎn）示了LSFL和HSFL的（de）發展及（jí）其在（zài）空間-頻率空間（K空間）中的特定（dìng）空間周期性。
通過改變納秒激光器的激光能量密度，在Fe基金屬玻璃上麵探究了納米（mǐ）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（jī）光能量（liàng）密度的增（zēng）加，納米粒子的（de）分布（bù）是不同的。
對此，他們還（hái）對這種結構（gòu）的形成（chéng）及演化（huà）進行了討論(如圖2所示)，能量相（xiàng）對較低時，納米粒子以離散形式出現在照射區域；當（dāng）將能量增（zēng）加時，除熱影響區（qū）外，照射（shè）區（qū）域呈現出大麵積的網絡納米（mǐ）結構。這些網絡納米結（jié）構並不總是（shì）完全封閉的，尤（yóu）其是在輻照區域的中心。隨著能量進一步增加，整個輻照（zhào）區域具有熱（rè）影響區周圍的網絡（luò）納米結構和位於輻照區域（yù）中心的納米（mǐ）顆粒兩種結構。並且，隨著激光能量密度的增加，這種納米粒子的數量（liàng）不斷增多，當數（shù）量過多時兩兩（liǎng）相互連接形成納米線，或者納米網格結構，納米顆粒可歸因於激光誘導的元素富集（即無定形氧化鉺）及其與基材的潤濕性不匹（pǐ）配。此外，在反衝壓力和表麵形貌的共同影響下，納米粒子（zǐ）的擴（kuò）散（sàn）和連接會導致網絡納米結構的形成。這種納米顆粒（lì）和納米網（wǎng）格的應用十分廣（guǎng）泛，如作為增（zēng）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後鐵基MG表麵的SEM形（xíng）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（jīn）屬玻璃基底上的形（xíng）成（chéng）過程示意（yì）圖（tú）。
他們（men）使用飛秒激（jī）光探索了納米結（jié）構對細菌粘附的影響，通過不同的激光參數（shù）在四個BMG表（biǎo）麵上產生了簇狀納米顆粒結構和不同的LIPSS結構，如圖3左圖所示。測量BMG的表麵粗糙度、表麵接觸角和表麵能（néng）時，發現拋光表麵和LIPSS結構的表麵粗糙（cāo）度（dù）和表（biǎo）麵能在團簇狀納（nà）米（mǐ）顆粒結構外較低，表（biǎo）現出良好的疏水性。在細菌實驗中，通過熒光顯微鏡圖像對標本表麵的大腸杆菌和金黃色（sè）葡萄球菌（jun1）進行實驗，發現（xiàn）當BMG表麵疏水性較好時，抗菌能力也較好。此外，他們還從微觀和（hé）形態兩（liǎng）個角度解釋了細菌粘附，如圖3右圖所示。從微觀角度，自由細菌粘附過（guò）程中兩個表麵之間的能量用範德華力和庫侖力以及布朗運動來解釋（shì），從（cóng）形態學角度，納米結構表麵的曲率和細菌的曲率半徑大（dà）小決定了抗菌性（xìng）能的好壞。
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圖3.左圖為：飛秒激光納米結構表麵的（de）形貌（mào）：(a)V105s的拋光表麵；(b)V105s的納米粒子結構表麵；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的納米顆粒結（jié）構表麵；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。右圖為：金黃色葡萄球菌（jun1）在(a)拋光表麵、(b)納米顆粒結構表麵和(c)LIPSS上的表麵接觸狀（zhuàng）態。表麵細菌粘附狀態示（shì）意圖（d）在拋光表麵上，(e)在納米結構表麵上和(f)在LIPSS上（shàng）。
綜上所述，金屬（shǔ）玻璃（lí）作為一種新興的材料，相（xiàng）較於傳統金屬材料，金屬玻璃有著眾多優（yōu）勢（shì），這也使得其在工業或醫療行（háng）業中有著巨大的潛力，飛秒激光和納秒激光的出（chū）現讓金屬玻璃的應用更加廣泛。
此外，作者團隊在理解上述研究的基礎上，也將更進一步的對納秒激光和飛秒激光加工金屬玻璃方向進行研究，提出更多二者相互作用的機（jī）製，並用模擬的方式進行體現，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，阿秒激光作為脈衝時間更短的激光，在與金屬（shǔ）玻璃的作用中會產生哪些有趣的現象，目前（qián）還有待研究，相（xiàng）信（xìn）這會（huì）對金屬玻璃的發展提供重要幫助。（如有侵（qīn）權來電刪除！）
