專利名稱：仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納加工和激光成型技術(shù)領(lǐng)域，特指仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光微納加工方面的實驗和應(yīng)用研究由來已久，其中最成功的應(yīng)用是在20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來的微電子學(xué)領(lǐng)域，至今微納激光制造及其相關(guān)技術(shù)已成為當(dāng)前國際競爭的主要領(lǐng)域。激光微納加工技術(shù)中的激光刻蝕技術(shù)最早是在20世紀(jì)80年代針對準(zhǔn)分子激光加工技術(shù)提出的，它是采用高能脈沖激光束對材料表面掃描得到具有一定寬度和深度的微細小槽，以改善材料表面的潤濕特性。由于其具有非接觸、無污染、加工面形容易控制、熱影響小和可實現(xiàn)微納米線寬精細加工等特點，因而隨著激光器質(zhì)量的提高和控制系統(tǒng)的改善，激光刻蝕技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的制作是國內(nèi)外眾多學(xué)者正在深入研究的重要課題，傳統(tǒng)的激光刻蝕技術(shù)可以滿足該種表面制備的要求，它是利用激光與材料相互作用過程中的光化學(xué)和熱化學(xué)作用相結(jié)合來實現(xiàn)加工材料表面的微觀形貌改變及微觀結(jié)構(gòu)重組，從而使材料表面因具備超疏水或疏油性能而帶來無比優(yōu)越的自潔特性，材料的防污染、抗氧化、抗腐蝕、抗老化等能力也將因此而大大提高。
典型微納加工的激光光源提供從50mW到2W的平均輸出功率和從幾十微焦到幾毫焦的脈沖能量。處理過程用很小的激光脈沖就可以，幾百微焦的能量足以熔化一個100μm的聚焦點。對于大多數(shù)的激光微納加工應(yīng)用，Nd:YAG激光產(chǎn)生的納秒脈沖就足夠。
雖然傳統(tǒng)的激光刻蝕技術(shù)具有一般微納光制造所具備的非接觸、無污染、可實現(xiàn)微納米線寬精細加工等優(yōu)點，但是也存在著一定的局限性首先，由于傳統(tǒng)激光刻蝕技術(shù)的曝光視場范圍小、逐場刻蝕掃描需要配備復(fù)雜的加工定位系統(tǒng)，因而其一次加工面積小，成本高；其次，傳統(tǒng)的激光刻蝕技術(shù)因為受曝光波長及成像系統(tǒng)數(shù)值孔徑的限制，其表面加工的分辨率較低，進一步推進刻蝕極限比較困難；最后，由于傳統(tǒng)激光刻蝕系統(tǒng)固有的光學(xué)特性，其曝光區(qū)域小，且加工時難以得到清晰的多維圖形，大大限制了其在大尺寸基體材料表面精細微結(jié)構(gòu)加工方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種制作仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的、優(yōu)于傳統(tǒng)激光刻蝕技術(shù)的新方法及其相關(guān)裝置，是基于Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器在材料表面產(chǎn)生光熱作用以及隨后的能量擴散來實現(xiàn)的，可以有效地克服其他微納光制造方法中存在的加工系統(tǒng)相對復(fù)雜、加工過程控制困難、加工表面質(zhì)量不高等缺點。
本發(fā)明提出的激光造型方法可以適用于水和空氣等介質(zhì)中仿生表面的點掃描和線掃描，在此基礎(chǔ)上可進一步實現(xiàn)不同材料表面的大區(qū)域面掃描，針對不同加工介質(zhì)及不同掃描要求設(shè)計了相應(yīng)的微納加工系統(tǒng)。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的裝置主要由激光光源、外光路系統(tǒng)和樣品控制系統(tǒng)依次組成。其中激光光源采用Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器的二倍頻輸出(波長532nm)或者三倍頻輸出(波長355nm)，每一種輸出都有兩種模式，即連續(xù)脈沖發(fā)射和單次脈沖發(fā)射，前一種模式用于線掃描，后一種模式用于點掃描。外光路系統(tǒng)主要由濾波片、聚焦鏡等光學(xué)元件依次連接構(gòu)成。濾波片的作用是將激光光源調(diào)節(jié)至一定的頻帶寬度；聚焦鏡的作用一方面是使激光能量集中，另一方面可以滿足加工中光斑大小可調(diào)的要求。樣品控制系統(tǒng)包括置于外光路系統(tǒng)中的電子光閘、加工樣品、三維驅(qū)動工作臺、計算機控制系統(tǒng)、驅(qū)動器等，計算機控制系統(tǒng)與電子光閘和驅(qū)動器、驅(qū)動器與三維驅(qū)動工作臺均通過數(shù)據(jù)線相連接。計算機控制系統(tǒng)的作用是控制電子光閘的開關(guān)及三維驅(qū)動工作臺縱橫微移的起止并使之嚴(yán)格同步；電子光閘的作用是控制激光光束的適時通斷，從而有效控制線掃描時的掃描長度或點掃描時的重復(fù)次數(shù)；三維驅(qū)動工作臺的作用是通過水平方向的縱橫微移來控制水平方向線掃描的位置和點掃描的間距(采用水介質(zhì)時)或者通過垂直方向的縱橫微移來控制垂直方向線掃描的位置和點掃描的間距(采用空氣介質(zhì)時)。采用水介質(zhì)將有助于激光能量的擴散，使制作的表面微納結(jié)構(gòu)的周期性顯著，在采用水介質(zhì)時的裝置中，外光路系統(tǒng)除了有濾波片、聚焦鏡外，在兩者之間還需要采用一個全反鏡將水平方向的激光光束改變?yōu)檠卮怪狈较颍瑥亩鴿M足在水介質(zhì)中進行掃描的要求；樣品控制系統(tǒng)需要有盛裝水介質(zhì)的樣品池，樣品就放置于固定在三維驅(qū)動工作臺上且裝有水介質(zhì)的樣品池的底部。在采用空氣介質(zhì)時的裝置中，外光路系統(tǒng)僅由濾波片和聚焦鏡組成，不需要全反鏡，因為通過控制三維驅(qū)動工作臺在垂直方向上的縱橫微移即可實現(xiàn)不同位置的點掃描和線掃描，不需要改變光束方向；樣品控制系統(tǒng)中不需要樣品池，因為樣品可直接固定于三維驅(qū)動工作臺上。
本發(fā)明提出的方法的基本步驟如下由Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器輸出的激光光束經(jīng)濾波片、電子光閘等元件后由聚焦鏡聚焦，聚焦后的激光光束直接作用于加工樣品表面。微納加工過程中由計算機控制系統(tǒng)控制電子光閘的開關(guān)來實現(xiàn)光路的通斷，與此同時還要由計算機控制系統(tǒng)通過驅(qū)動器來控制三維驅(qū)動工作臺在水平方向上的縱橫微移。注意操作中電子光閘的開關(guān)必須與三維驅(qū)動工作臺縱橫微移的起止嚴(yán)格同步，以保證仿生表面激光造型的質(zhì)量。另外，為了獲得理想化的周期表面微納結(jié)構(gòu)，必須對激光器輸出的激光能量進行嚴(yán)格調(diào)節(jié)，這可以通過在光路調(diào)節(jié)時由放置在激光器出光口的能量探頭來完成(不同的加工材料對激光能量的要求不同，如硅片掃描時所需能量大約在50～300mJ左右)。進行點掃描時，采用納秒脈沖激光器的單次脈沖發(fā)射，通過三維驅(qū)動工作臺縱橫微移的起止時間間隔保持與單次脈沖發(fā)射的時間間隔一致來控制點掃描的間距，此時電子光閘的作用是控制單次脈沖發(fā)射的重復(fù)次數(shù)。進行線掃描時，采用納秒脈沖激光器的連續(xù)脈沖發(fā)射，通過調(diào)整三維驅(qū)動工作臺的縱橫微移來控制線掃描的位置，此時電子光閘的作用是控制線掃描的長度。在線掃描的基礎(chǔ)上，通過三維驅(qū)動工作臺控制加工樣品縱橫方向的微移，使多次線掃描的圖樣縱橫交疊，從而可以實現(xiàn)大區(qū)域面掃描。
點掃描時的重復(fù)次數(shù)n對掃描結(jié)果有較大的影響；線掃描時得到的表面微納結(jié)構(gòu)的周期p與三維驅(qū)動工作臺的微移速度v和激光脈沖的重復(fù)頻率γ存在一定的關(guān)系，即p＝v/γ。
與用于仿生微納結(jié)構(gòu)表面制作的一般微納光制造方法如傳統(tǒng)的激光刻蝕技術(shù)相比，本發(fā)明提出的激光造型方法具有一系列的技術(shù)優(yōu)勢第一，微納加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本較低。該系統(tǒng)中不需要采用掩模，不需要采用昂貴的短波長光源和成像透鏡，因而光路單一而且容易調(diào)節(jié)，同時充分利用Nd:YAG激光器的連續(xù)脈沖和單次脈沖兩種輸出模式，使得操作簡便且成本低。第二，表面微納結(jié)構(gòu)的周期易控，加工質(zhì)量較高。通過控制加工中的激光光斑直徑、點掃描時的重復(fù)次數(shù)、線掃描時三維驅(qū)動工作臺的微移速度和激光脈沖的重復(fù)頻率等參數(shù)即可準(zhǔn)確調(diào)整表面微納結(jié)構(gòu)分布，使其周期性更顯著。第三，微納加工過程控制容易，加工效率較高。該方法中充分利用了計算機控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能力，使過程控制智能化，無論是點掃描、線掃描還是大區(qū)域面掃描，都可以通過電子光閘開關(guān)與三維驅(qū)動工作臺縱橫微移起止的同步來精確控制表面掃描的關(guān)鍵參量(如點掃描的重復(fù)次數(shù)和間距、線掃描的長度和位置、面掃描的區(qū)域范圍)，因而加工的效率也大為提高。


圖1水介質(zhì)中仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的納秒脈沖激光造型系統(tǒng)示意2空氣介質(zhì)中仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的納秒脈沖激光造型系統(tǒng)示意3采用激光造型方法制作的典型仿生周期微納結(jié)構(gòu)硅片表面的SEM4典型線掃描表面圖樣的參數(shù)控制示意圖1 Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器，2能量探頭，3濾波片，4電子光閘，5全反鏡，6聚焦鏡，7樣品池，8水介質(zhì)，9加工樣品，10三維驅(qū)動工作臺，11驅(qū)動器，12計算機控制系統(tǒng)，13線掃描圖樣。
具體實施例方式
圖1所示為本發(fā)明提出的水介質(zhì)中仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的納秒脈沖激光造型系統(tǒng)示意圖，對其具體裝置的細節(jié)和實施情況作如下說明采用水介質(zhì)時的納秒脈沖激光造型系統(tǒng)主要由激光光源、外光路系統(tǒng)和樣品控制系統(tǒng)依次組成。激光光源采用Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器1的二倍頻輸出(波長532nm)或者三倍頻輸出(波長355nm)，并利用其連續(xù)脈沖發(fā)射和單次脈沖發(fā)射這兩種出光模式分別實現(xiàn)表面線掃描和點掃描。外光路系統(tǒng)主要由濾波片3、全反鏡5、聚焦鏡6構(gòu)成，由Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器輸出的激光光束依次經(jīng)濾波片3、全反鏡5后由聚焦鏡6聚焦，聚焦后的激光光束直接進入樣品控制系統(tǒng)。樣品控制系統(tǒng)包括置于外光路系統(tǒng)中的電子光閘4(放置于濾波片3后)、樣品池7、盛裝于樣品池中的水介質(zhì)8、固定于樣品池底部的加工樣品9、承載樣品池的三維驅(qū)動工作臺10、通過數(shù)據(jù)線與三維驅(qū)動工作臺10直接相連接的驅(qū)動器11、通過數(shù)據(jù)線分別與電子光閘4和驅(qū)動器11相連接的計算機控制系統(tǒng)12，外光路系統(tǒng)中聚焦后的激光光束進入樣品控制系統(tǒng)后直接作用于加工樣品9的表面從而實現(xiàn)線掃描或點掃描。在每次進行光路調(diào)節(jié)時由放置在Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器1出光口的能量探頭2來對輸出的激光能量進行嚴(yán)格調(diào)節(jié)，以滿足不同加工材料對激光能量的不同要求。進行線掃描時，激光輸出采用連續(xù)脈沖發(fā)射，由電子光閘控制光路的適時通斷從而控制線掃描的長度，由三維驅(qū)動工作臺控制加工樣品水平方向的縱橫微移從而控制水平方向上不同走向線掃描的位置。進行點掃描時，激光輸出采用單次脈沖發(fā)射，由電子光閘控制光路的適時通斷從而控制點掃描的重復(fù)次數(shù)，由三維驅(qū)動工作臺控制加工樣品水平方向的縱橫微移從而控制水平方向上點掃描的間距。線掃描的長度和位置、點掃描的重復(fù)次數(shù)和間距這些加工參數(shù)需要根據(jù)加工樣品的大小及加工需要來確定。在線掃描的基礎(chǔ)上，通過三維驅(qū)動工作臺控制加工樣品水平方向的縱橫微移，從而調(diào)節(jié)不同線掃描的位置以實現(xiàn)其交互重疊，就可以得到大區(qū)域的面掃描圖樣。
采用空氣介質(zhì)時的納秒脈沖激光造型系統(tǒng)如圖2所示。其結(jié)構(gòu)組成與圖1基本相同，實現(xiàn)線掃描和點掃描的方法及相應(yīng)的參數(shù)控制也與采用水介質(zhì)時相同。由于加工時以空氣作為介質(zhì)，加工樣品9可以直接固定于三維驅(qū)動工作臺10上，因而樣品控制系統(tǒng)中不需要樣品池；同時由于加工樣品9的加工方向不受局限，可以直接由激光光束水平發(fā)射、三維驅(qū)動工作臺10控制加工樣品9在垂直方向上的縱橫微移來實現(xiàn)不同走向和位置的線掃描和不同間距的點掃描，因此外光路系統(tǒng)中也不需要由全反鏡來改變激光光束的發(fā)射方向。采用空氣介質(zhì)時，由于能量的擴散效果較差，容易造成表面微納結(jié)構(gòu)分布不均勻的情況，同時由于掃描區(qū)域中心的能量比邊緣和次邊緣區(qū)的能量強得多，因此容易在中心區(qū)域出現(xiàn)多向擴展裂紋，在加工時應(yīng)當(dāng)通過改善樣品固定方式并嚴(yán)格控制激光能量E、光斑直徑d等參量來避免。
圖3是采用激光造型方法制作的典型仿生周期微納結(jié)構(gòu)硅片表面的SEM圖。采用的是Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器的二倍頻輸出(波長532nm)，光斑直徑均為2mm。其中圖3(a)和(b)分別是采用激光造型方法在空氣介質(zhì)中對硅片進行加工得到的點掃描和線掃描圖樣，點掃描時的激光能量為240mJ，重復(fù)次數(shù)為20次；線掃描時的激光能量為130mJ，三維驅(qū)動工作臺的微移速度為2mm/s，激光脈沖的重復(fù)頻率為2Hz。圖3(c)和(d)分別是采用激光造型方法在水介質(zhì)中對硅片進行加工得到的點掃描和線掃描圖樣，點掃描時的激光能量為240mJ，重復(fù)次數(shù)為1次，加工樣品表面與水介質(zhì)表面的距離為3mm；線掃描時的激光能量為90mJ，三維驅(qū)動工作臺的微移速度為2mm/s，激光脈沖的重復(fù)頻率為2Hz，加工樣品表面與水介質(zhì)表面的距離為2mm。通過比較發(fā)現(xiàn)，在水介質(zhì)中進行掃描得到的微納結(jié)構(gòu)表面比在空氣介質(zhì)中的質(zhì)量更好。此外，點掃描的重復(fù)次數(shù)n對掃描結(jié)果的影響較大，n越大，得到的微納結(jié)構(gòu)的尺寸越??；而線掃描得到的表面微納結(jié)構(gòu)的周期與三維驅(qū)動工作臺的微移速度v和激光脈沖的重復(fù)頻率γ之間存在著一定的關(guān)系。
圖4是典型線掃描表面圖樣的參數(shù)控制示意圖，在加工樣品9上得到的線掃描圖樣13顯示的周期為d/2(其中d為激光光斑直徑)，v是線掃描時三維驅(qū)動工作臺的微移速度(亦即樣品微移速度，可調(diào))，假設(shè)激光脈沖的重復(fù)頻率為γ(亦可調(diào))，則有d/2＝v/γ。不失一般性，進行線掃描時線掃描圖樣的周期p與v和γ的關(guān)系均可寫成p＝v/γ?？梢娡ㄟ^調(diào)節(jié)線掃描時三維驅(qū)動工作臺的微移速度和激光脈沖的重復(fù)頻率即可控制線掃描圖樣的周期。
權(quán)利要求
1.仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型裝置，其特征是由激光光源、外光路系統(tǒng)和樣品控制系統(tǒng)依次組成，激光光源采用Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器(1)的二倍頻輸出或者三倍頻輸出，外光路系統(tǒng)由光學(xué)元件濾波片(3)、聚焦鏡(6)依次連接構(gòu)成；樣品控制系統(tǒng)包括置于外光路系統(tǒng)中的電子光閘(4)、加工樣品(9)、三維驅(qū)動工作臺(10)、計算機控制系統(tǒng)(12)、驅(qū)動器(11)，其中計算機控制系統(tǒng)(12)與電子光閘(4)和驅(qū)動器(11)、驅(qū)動器(11)與三維驅(qū)動工作臺(10)均通過數(shù)據(jù)線相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型裝置，其特征是采用水介質(zhì)的裝置中，外光路系統(tǒng)中在濾波片(3)、聚焦鏡(6)兩者之間采用一個全反鏡(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型方法，其特征是由Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器輸出的激光光束經(jīng)濾波片、電子光閘等元件后由聚焦鏡聚焦，聚焦后的激光光束直接作用于加工樣品表面，微納加工過程中由計算機控制系統(tǒng)控制電子光閘的開關(guān)來實現(xiàn)光路的通斷，由計算機控制系統(tǒng)通過驅(qū)動器來控制三維驅(qū)動工作臺在水平方向上的縱橫微移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型方法，其特征是激光光源的輸出為兩種模式，即線掃描采取連續(xù)脈沖發(fā)射和點掃描采取單次脈沖發(fā)射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型方法，其特征是點掃描時的重復(fù)次數(shù)n越大，得到的微納結(jié)構(gòu)的尺寸越小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生周期微納結(jié)構(gòu)表面的大區(qū)域激光造型方法，其特征是線掃描時得到的表面微納結(jié)構(gòu)的周期p與三維驅(qū)動工作臺的微移速度v和激光脈沖的重復(fù)頻率γ存在一定的關(guān)系，即p＝v/γ。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納加工和激光成型技術(shù)領(lǐng)域，其由Nd:YAG調(diào)Q納秒脈沖激光器輸出的激光光束經(jīng)濾波片、電子光閘等元件后由聚焦鏡聚焦，聚焦后的激光光束直接作用于加工樣品表面，微納加工過程中由計算機控制系統(tǒng)控制電子光閘的開關(guān)來實現(xiàn)光路的通斷，由計算機控制系統(tǒng)通過驅(qū)動器來控制三維驅(qū)動工作臺在水平方向上的縱橫微移。本發(fā)明微納加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本較低。表面微納結(jié)構(gòu)的周期易控，加工質(zhì)量較高。通過控制加工中的激光光斑直徑、點掃描時的重復(fù)次數(shù)、線掃描時三維驅(qū)動工作臺的微移速度和激光脈沖的重復(fù)頻率等參數(shù)即可準(zhǔn)確調(diào)整表面微納結(jié)構(gòu)分布，使其周期性更顯著。且微納加工過程控制容易，加工效率較高。
文檔編號B23K26/00GK1928687SQ200610041569
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者周明, 李保家, 蔡蘭 申請人:江蘇大學(xué)