專利名稱：利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法及裝置。
背景技術(shù)：
材料表面上的微結(jié)構(gòu)常常使材料表現(xiàn)出很多特殊性質(zhì)。比如荷葉表面生長的微納米乳突結(jié)構(gòu)使得葉面與水珠的接觸角變大，從而使荷葉具有了超疏水性及自潔性，獲得了 “出淤泥而不染”的美名；壁虎的爪子上同樣也密布著褶皺與絨毛，這種微納米結(jié)構(gòu)增大了壁虎與墻壁的接觸面積，增強(qiáng)了范德華氏力的作用，使得壁虎可以在墻壁上爬行自如。利用自然界的現(xiàn)象改造我們的現(xiàn)實(shí)世界是人類的最大夢想，研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用這些微納米結(jié)構(gòu)，可以改善飛行器機(jī)身的疏水特性，防止結(jié)冰發(fā)生危險；可以利用微納米結(jié)構(gòu)的超摩擦特性制作MEMS器件；可以在鎢燈絲上引入微納米結(jié)構(gòu)，使燈光的發(fā)光效率明顯改善等。·人們已經(jīng)研究出多種方法在材料表面獲得這種微結(jié)構(gòu)，比如表面涂層、化學(xué)腐蝕、激光處理等,其中激光表面處理技術(shù)在近幾年發(fā)展較快。激光表面處理，具有定位精確、非接觸、快速成型等優(yōu)點(diǎn)。但一般的連續(xù)激光或者長脈沖激光，只能在材料表面加工大口徑的孔洞或者微槽等結(jié)構(gòu)，很難獲得一致性較好的微納米結(jié)構(gòu)，同時由于熱效應(yīng)的存在，材料表面層會出現(xiàn)熔化、相變等過程，使材料本身發(fā)生變化。超快激光作為新一代超短脈沖激光，除了具有一般激光表面處理的優(yōu)勢外，還兼有幾乎無熱影響區(qū)、可直寫誘導(dǎo)產(chǎn)生納米級結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，這使利用超快激光對材料表面直接誘導(dǎo)產(chǎn)生微納米光柵結(jié)構(gòu)成為可能。利用超快激光對材料表面處理的最大應(yīng)用瓶頸在于飛秒激光的運(yùn)行成本較高?，F(xiàn)有的激光直寫技術(shù)一般是利用單透鏡將激光聚焦，焦點(diǎn)直徑為50um左右，如此大小的加工區(qū)域是很難實(shí)現(xiàn)大面積處理的。目前并未見到提出實(shí)現(xiàn)超快激光對材料表面大面積處理的報(bào)道。因此，急需一種能夠在靶材表面制備大面積微光柵結(jié)構(gòu)的方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種能夠在靶材表面制備大面積微光柵結(jié)構(gòu)的利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法及裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，包括以下步驟100、通過改變超快激光的出射光路，以調(diào)整出射光束的能量以及偏振方向；101、通過分光片組將改變光路后的偏振光束分為多路能量相等的分束光束；102、通過柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路并行線性聚焦線光斑；103、通過樣品控制臺對靶材的位置進(jìn)行控制，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。
步驟100中包括以下步驟(a)、超快激光通過衰減片后，使出射光束的能量達(dá)到能夠在靶材表面產(chǎn)生微光柵結(jié)構(gòu)時的燒蝕閾值；(b)、出射光束入射至半波片中，通過半波片將出射光束的偏振方向調(diào)整為與期望的微光柵條紋相垂直的方向。步驟101中，多個分光片采用水平方式呈等間距排列，所述分光片使鏡片的法線方向與光束方向形成45°的夾角，以保證分束光束與入射光路相垂直，且透過的分束光束保持方向不變。在步驟102中，多個所述柱面透鏡采用水平方式呈等間距排列并且與平臺相平 行，以使聚焦后的線性聚焦線光斑與平臺相平行。在步驟103中，所述樣品控制臺對靶材的橫向位置與縱向位置進(jìn)行控制，將所述靶材的表面位于柱面透鏡的焦線處，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。所述超快激光為不同波長的飛秒激光或皮秒激光。本發(fā)明同時還提供一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的裝置，在超快激光的傳播光路上依次設(shè)有衰減片、半波片、分光片組與柱面透鏡組，所述衰減片、所述半波片、所述分光片組與所述柱面透鏡組設(shè)置在同一平臺上；所述分束片組由多個水平方式并且呈等間距排列的分光片構(gòu)成，所述分光片使鏡片的法線方向與光束方向形成45°的夾角；所述柱面透鏡組垂直設(shè)置在所述分光片組后的光路上，所述柱面透鏡組采用水平方式呈等間距排列并且與平臺相平行的柱面透鏡構(gòu)成。由激光器輸出的超快激光入射至所述衰減片中，經(jīng)所述衰減片調(diào)整出射光束的能量；出射光束入射至半波片中，經(jīng)半波片調(diào)整入射光束的偏振方向以形成偏振光束；偏振光束入射至分光片組中，經(jīng)分光片組將偏振光束分為多路能量相同的分束光束；多路分束光束入射至所述柱面透鏡組，經(jīng)所述柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路線性聚焦線光斑。在所述柱面透鏡組的后側(cè)還設(shè)有靶材，所述靶材的表面位于柱面透鏡的焦線處，所述靶材安裝在樣品控制臺上。所述樣品控制臺由橫向電控平移臺以及安裝在其頂部的縱向電控平移臺構(gòu)成，所述靶材安裝在所述縱向電控平移臺上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明利用分束鏡組與柱面透鏡組實(shí)現(xiàn)了在靶材料表面進(jìn)行的多光束并行處理，提高了超快激光處理在靶材表面的處理速度，從而達(dá)到在靶材表面制備大面積微光柵結(jié)構(gòu)的目的，克服了現(xiàn)有技術(shù)中超快激光對靶材表面處理成本較高的難題；2、本發(fā)明利用一般的激光直寫掃描技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)，激光作用區(qū)域只有50um左右，若在20mmX 20mm面積的平面上制備微結(jié)構(gòu)，當(dāng)掃描速度為O. 5mm/s時，需要16000秒，大約4. 4個小時。而用本發(fā)明方法時,激光作用區(qū)域?yàn)?mm,當(dāng)同樣在20mmX 20mm面積的平面上制備微結(jié)構(gòu)時，僅利用雙光束，就可以將加工時間縮短為80秒，速度提高了 200倍。一般的，當(dāng)使用多光束時，速度可提高IOOXn倍；3、采用本發(fā)明制備出的帶有大面積微光柵結(jié)構(gòu)的靶材具有很多特性，如表面親/疏水性、超摩擦性及改良的熱輻射性質(zhì)等。這些特性可以應(yīng)用于飛行器表面材料改性、MEMS器件的制作、紅外雷達(dá)隱身及干擾等諸多領(lǐng)域和行業(yè)。


圖I為本發(fā)明中制備方法的流程圖；圖2為本發(fā)明中制備裝置的結(jié)構(gòu)圖。主要符號說明如下I-衰減片2-半波片 3-分光片組4-分光片
5-柱面透鏡組6-柱面透鏡7-樣品控制臺8-橫向電控平移臺9-縱向電控平移臺10-靶材11-平臺
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明提供一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，包括以下步驟100、通過改變超快激光的出射光路，以調(diào)整出射光束的能量以及偏振方向。具體的，步驟100中包括以下步驟(a)、超快激光通過衰減片后，使出射光束的能量生成能夠在靶材表面產(chǎn)生微光柵結(jié)構(gòu)時的燒蝕閾值；(b)、出射光束入射至半波片中，通過半波片將出射光束的偏振方向調(diào)整為期望得到的與靶材表面相垂直的條紋方向。101、通過分光片組將改變光路后的偏振光束分為多路能量相等的分束光束。具體的，分光片組由多個分光片采用水平方式呈等間距排列構(gòu)成，分光片使鏡片的法線方向與光束方向形成45°的夾角，以保證分束光束與入射光路相垂直，且透過的分束光束保持方向不變。為了保證激光能量，分光片的數(shù)量一般應(yīng)小于10個，分光片從前到后的反射透射比為I m，I n-l……I :1，分光片等間距排開，間距為L / n(mm)。102、通過柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路并行線性聚焦線光斑。具體的，柱面透鏡組由多個柱面透鏡采用水平方式呈等間距排列構(gòu)成，多個柱面透鏡均是與平臺相平行，以使聚焦后的線性聚焦線光斑與平臺相平行。多路光需要多個平凸柱透鏡柱面透鏡，每路光使用I個柱面透鏡聚焦，聚焦成一定長度的線性聚焦線X(mm)，對材料表面掃描形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。103、通過樣品控制臺對靶材的位置進(jìn)行控制，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。具體的，樣品控制臺對靶材的橫向位置與縱向位置進(jìn)行控制，將靶材的表面位于柱面透鏡的焦線處，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。樣品控制臺使用兩個電控平移臺，橫向電控平移臺垂直于平臺，另一縱向電控平移臺垂直固定在橫向電控平移臺上與光路垂直。根據(jù)靶材所要處理的平面大小及光路數(shù)η和聚焦線大小，計(jì)算利用平移臺控制程序進(jìn)行控制。所用電控平移臺為計(jì)算機(jī)編程控制的平移臺。平移臺控制方法為需處理的材料面積為L(mm) XW(mm),則橫向電控平移臺移動長度為W(mm)，橫向電控平移臺移動一次后，縱向電控平移臺步進(jìn)長度為聚焦線長度，橫向電控平移臺反向移動一次，縱向電控平移臺步進(jìn)聚焦線長度一次，橫向電控平移臺再正向移動……直到縱向電控平移臺步進(jìn)L/(xXn)次，平移臺停止運(yùn)動，此時需要處理的樣品表面正好完成一次掃描。 在上述步驟10(Γ步驟103中，超快激光為不同波長的飛秒激光或皮秒激光。如圖2所示，本發(fā)明同時還提供一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的裝置，在超快激光的傳播光路上依次設(shè)有衰減片I、半波片2、分光片組3與柱面透鏡組5，衰減片I、半波片2、分光片組3與柱面透鏡組5設(shè)置在同一平臺11上。其中，分束片組3由多個水平方式并且呈等間距排列的分光片4構(gòu)成，分光片4使鏡片的法線方向與光束方向形成45°的夾角。柱面透鏡組5垂直設(shè)置在分光片組3后的光路上，柱面透鏡組5采用水平方式呈等間距排列并且與平臺相平行的柱面透鏡6構(gòu)成。在柱面透鏡組5的后側(cè)還設(shè)有靶材10，該靶材10的表面位于柱面透鏡的焦線處，靶材10安裝在樣品控制臺7上。樣品控制臺7由橫向電控平移臺8以及安裝在其頂部的縱向電控平移臺9構(gòu)成，靶材10安裝在縱向電控平移臺9上。激光器輸出的超快激光入射至衰減片中，經(jīng)衰減片調(diào)整出射光束的能量；出射光束入射至半波片中，經(jīng)半波片調(diào)整入射光束的偏振方向以形成偏振光束；偏振光束入射至分光片組中，經(jīng)分光片組將偏振光束分為多路能量相同的分束光束；多路分束光束入射至柱面透鏡組，經(jīng)柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路線性聚焦線光斑。其中，超快激光為不同波長的飛秒激光或皮秒激光。具體實(shí)驗(yàn)案例在本實(shí)驗(yàn)案例中使用飛秒激光器輸出的激光，其參數(shù)為中心波長800nm、脈沖寬度100g、重復(fù)頻率1kHz、單脈沖能量3mJ、水平于桌面的線偏振光。在本實(shí)驗(yàn)案例中在300mmX IOOmm的樣品表面制備微光柵結(jié)構(gòu)。超快激光沿圖I中標(biāo)不方向入射，首先經(jīng)過裳減片，此裳減片應(yīng)保證后面每束光路的單脈沖能量不少于300uJ。在本實(shí)驗(yàn)案例中，因后面將光分為3束，因此，在衰減片處需要將激光裳減為I. 2mJο然后激光經(jīng)過半波片，半波片改變偏振飛秒激光的偏振態(tài)。由于激光偏振態(tài)與樣品上加工的微條紋結(jié)構(gòu)相垂直，此時應(yīng)根據(jù)加工需求調(diào)整偏振態(tài)，在此本實(shí)驗(yàn)案例中不妨不改變激光偏振方向，即激光偏振方向?yàn)樗接谧烂?。?jīng)過衰減片和半波片調(diào)整后的激光將入射于分光片，分束光路應(yīng)根據(jù)需求選擇合適的分光片數(shù)n，在此實(shí)驗(yàn)案例中選n=3。每個分光片應(yīng)使鏡片的法線方向與光束方向夾角為45°，此時可以保證分出的光束與原光路垂直，且透過的光束保持方向不變。分光片的擺放位置應(yīng)根據(jù)具體加工樣品的尺寸進(jìn)行選擇，在本實(shí)驗(yàn)案例中樣品的長為300mm、利用三束激光加工，因此分光片的間隔應(yīng)為100_。同時，分光片應(yīng)根據(jù)擺放位置選擇不同的反射透射比，在此實(shí)施例中最前面的分光片的反射透射比為3 :1，后面兩個分光片依次為2 :1、1
I。此時保證了三束光路中每束的單脈沖能量為300uJ。經(jīng)過分光后激光需要通過柱面透鏡進(jìn)行聚焦。柱面透鏡在此實(shí)驗(yàn)案例中根據(jù)光路數(shù)n=3選擇了同樣的3片，分別放置于分光后的光路上。柱面透鏡的柱面的表面應(yīng)正對激光束，同時柱面的母線應(yīng)平行于桌面，以使聚焦后的焦線也平行于桌面。最后需要加工的靶材應(yīng)固定在樣品控制臺上面。將靶材正好置于柱面透鏡的焦距處，通過控制橫向電控平移臺與縱向電控平移臺，使經(jīng)分光后的第一束激光聚焦線正好位于靶材的右上角。此時相應(yīng)工作準(zhǔn)備完畢，可以開始加工。在加工過程中，因本實(shí)驗(yàn)案例中加工樣品的寬為100mm，因此縱向電控平移臺需要從上到下掃描100mm，然后橫向電控平移臺向左移動5mm,縱向電控平移臺再從下到上掃描100mm,橫向電控平移臺再往左移動5mm,如此循環(huán)進(jìn)行20次后,激光在樣品表面上掃描過的面積正好為300mmX 100mm,完成表面微光柵結(jié)構(gòu)的制備。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，其特征在于，包括以下步驟 100、通過改變超快激光的出射光路，以調(diào)整出射光束的能量以及偏振方向； 101、通過分光片組將改變光路后的偏振光束分為多路能量相等的分束光束； 102、通過柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路并行線性聚焦線光斑； 103、通過樣品控制臺對靶材的位置進(jìn)行控制，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，其特征在于，步驟100中包括以下步驟 (a)、超快激光通過衰減片后，使出射光束的能量達(dá)到能夠在靶材表面產(chǎn)生微光柵結(jié)構(gòu)時的燒蝕閾值； (b)、出射光束入射至半波片中，通過半波片將出射光束的偏振方向調(diào)整為與期望的微光柵條紋相垂直的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，其特征在于，步驟101中，多個分光片采用水平方式呈等間距排列，所述分光片使鏡片的法線方向與光束方向形成45°的夾角，以保證分束光束與入射光路相垂直，且透過的分束光束保持方向不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，其特征在于，在步驟102中，多個所述柱面透鏡采用水平方式呈等間距排列并且與平臺相平行，以使聚焦后的線性聚焦線光斑與平臺相平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，其特征在于，在步驟103中，所述樣品控制臺對靶材的橫向位置與縱向位置進(jìn)行控制，將所述靶材的表面位于柱面透鏡的焦線處，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一所述的利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，其特征在于，所述超快激光為不同波長的飛秒激光或皮秒激光。
7.一種實(shí)施權(quán)利要求I所述方法的裝置，其特征在于，在超快激光的傳播光路上依次設(shè)有衰減片、半波片、分光片組與柱面透鏡組，所述衰減片、所述半波片、所述分光片組與所述柱面透鏡組設(shè)置在同一平臺上； 所述分束片組由多個水平方式并且呈等間距排列的分光片構(gòu)成，所述分光片使鏡片的法線方向與光束方向形成45°的夾角； 所述柱面透鏡組垂直設(shè)置在所述分光片組后的光路上，所述柱面透鏡組采用水平方式呈等間距排列并且與平臺相平行的柱面透鏡構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，由激光器輸出的超快激光入射至所述衰減片中，經(jīng)所述衰減片調(diào)整出射光束的能量；出射光束入射至半波片中，經(jīng)半波片調(diào)整入射光束的偏振方向以形成偏振光束；偏振光束入射至分光片組中，經(jīng)分光片組將偏振光束分為多路能量相同的分束光束；多路分束光束入射至所述柱面透鏡組，經(jīng)所述柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路線性聚焦線光斑。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，在所述柱面透鏡組的后側(cè)還設(shè)有靶材，所述靶材的表面位于柱面透鏡的焦線處，所述靶材安裝在樣品控制臺上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述樣品控制臺由橫向電控平移臺以及安裝在其頂部的縱向電控平移臺構(gòu)成，所述靶材安裝在所述縱向電控平移臺上。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種利用超快激光在靶材表面制備大面積微光柵的方法，該步驟依次為通過改變超快激光的出射光路，以調(diào)整出射光束的能量以及偏振方向；通過分光片組將改變光路后的偏振光束分為多路能量相等的分束光束；通過柱面透鏡組將出多路分束光束聚焦為能夠在靶材表面形成微光柵結(jié)構(gòu)的多路并行線性聚焦線光斑；通過樣品控制臺對靶材的位置進(jìn)行控制，使多路線性聚焦線光斑能夠在靶材表面進(jìn)行全面掃描，以形成大面積的微光柵結(jié)構(gòu)。實(shí)施上述方法的裝置為設(shè)置在同一平臺上的衰減片、半波片、分光片組與柱面透鏡組。本發(fā)明提高了超快激光處理在靶材表面的處理速度，從而達(dá)到在靶材表面制備大面積微光柵結(jié)構(gòu)的目的。
文檔編號G02B5/18GK102909477SQ201210427948
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者劉世炳, 劉嵩, 宋海英, 董祥明 申請人:北京工業(yè)大學(xué)