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(tuán)隊(duì)，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(diǎn)擊閱讀原文）。
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該論文結(jié)合作者團(tuán)隊(duì)多年的經(jīng)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)對于200-400 nm范圍內(nèi)的顆粒尺寸有很大影響，通過反饋機(jī)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(shí)驗(yàn)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(kuò)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(qiáng)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(tuán)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(yùn)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(jī)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>
