專利名稱：超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置及方法，屬于功能性微結(jié)構(gòu)表面的制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從地球具有生命以來，已經(jīng)經(jīng)歷了幾億年的進(jìn)化過程。這種進(jìn)化使得幾乎所有的物種或材料表面都具有某種從宏觀到微觀的特定功能。其中非常典型的一種功能特性就是結(jié)構(gòu)表面具有極好的不易沾水的特性及自清潔的能力。如蟬、蝴蝶等鱗翅目昆蟲的翅膀、 卷心菜的葉子、金雀花、水稻的葉子等，但最具代表性的還是蓮花的葉子，因此這種功能性也被稱之為“荷葉效應(yīng)”。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，材料表面的微納雙重結(jié)構(gòu)以及附著在此類結(jié)構(gòu)上的蠟質(zhì)層和硅氧烷是這類生物表面具有不沾水特性的根本原因。正是受大自然的啟發(fā)， 人們開始模仿自然界中的功能性表面結(jié)構(gòu)，從仿生科學(xué)的角度出發(fā)，制備具有“自清潔”等超疏水性的特定功能表面。從而試圖解決人類所面臨的日益加劇的能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題。正是這種綠色制造及生活理念，使得“自清潔”等功能性微結(jié)構(gòu)表面的制造成為國際領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)問題之一。目前，針對這類超疏水功能性微結(jié)構(gòu)表面的制備方法主要有機(jī)械加工技術(shù)，如銑削、切削等；電子束直寫技術(shù)；光刻技術(shù)；刻蝕及平板印刷技術(shù)；化學(xué)/物理氣相沉積和激光加工等。傳統(tǒng)機(jī)械加工方法的研究主要集中在如何高效的獲得光滑或超光滑的加工表面上，而表面功能結(jié)構(gòu)制造則是在材料表面制備出不同于光滑物體表面的具有不同形貌、不同尺度、不同維數(shù)，不同功能的表面結(jié)構(gòu)。電子束直寫技術(shù)雖然能夠加工出納米級的結(jié)構(gòu)， 但加工范圍小，而且效率低；光刻技術(shù)由于場深限制，僅限于二微結(jié)構(gòu)和小深寬比三維結(jié)構(gòu)的加工，加工效率極低，此外對工作環(huán)境要求非常苛刻；采用蝕刻技術(shù)，雖然可以實(shí)現(xiàn)三維形貌的微結(jié)構(gòu)加工，但在加工區(qū)域容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺陷，從而影響產(chǎn)品的功能特性；而沉積技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)較快速的制備，但可控性極差，而且生成的結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定。同時(shí)，上述方法往往會使加工完之后的結(jié)構(gòu)尺寸精度發(fā)生變化。激光加工是上個世紀(jì)末產(chǎn)生的一種新興的高效、高質(zhì)量的加工手段。但是針對連續(xù)激光和脈沖寬度介于納秒到微秒之間的‘傳統(tǒng)’激光加工而言，由于熱效應(yīng)，熔化、毛刺、 裂紋和加工區(qū)域組織結(jié)構(gòu)的改變等機(jī)械缺陷的存在而使該類激光的應(yīng)用受到了嚴(yán)重的限制。而超短和超快激光憑借其獨(dú)特的加工優(yōu)勢可以實(shí)現(xiàn)對材料的高效加工處理，為功能性元件的加工提供了更多的加工優(yōu)勢。超短和超快激光加工作為一種通用的柔性加工技術(shù)，不僅可以對金屬、半導(dǎo)體和電介質(zhì)等材料實(shí)現(xiàn)亞微米級尺寸特征的加工，而且還能以其特有的光學(xué)特性，在材料表面產(chǎn)生微納雙重結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，而對基體和結(jié)構(gòu)沒有任何損傷。這就保證了所加工的結(jié)構(gòu)及其功能具有長期的穩(wěn)定性。但是，現(xiàn)有的功能性元件的加工工藝和加工技術(shù)均存在高投入、低產(chǎn)出的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有功能性元件的加工工藝和加工技術(shù)存在的高投入和低產(chǎn)出的問題，提供一種超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置及方法。本發(fā)明所述超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置，它包括超快皮秒脈沖激光源、光頻隔離器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、 旋轉(zhuǎn)液晶偏振片、偏振分束器、第一束流收集器、第二束流收集器、半波片、第一聚焦透鏡、 倍頻發(fā)生器LBO晶體、分色鏡、控光裝置、光束輪廓曲線儀、光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡、聚焦加工鏡頭、加工平臺、顯微成像CXD組件和控制系統(tǒng)，超快皮秒脈沖激光源發(fā)射的激光束經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大后入射至光頻隔離器，通過光頻隔離器的光束由第一反射鏡進(jìn)行反射，第一反射鏡的反射光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)液晶偏振片形成偏振光束，該偏振光束入射至偏振分束器，經(jīng)偏振分束器的偏振分束，光束被分為兩個部分，一部分被反射的反射光束被第一束流收集器的光探測端接收，另一部分光束經(jīng)半波片入射至第一聚焦透鏡，該第一聚焦透鏡的出射光束入射至第二反射鏡進(jìn)行反射， 第二反射鏡的反射光束再經(jīng)第三反射鏡反射后，入射至倍頻發(fā)生器LBO晶體，光束經(jīng)倍頻發(fā)生器LBO晶體變換波長后，波長由1064nm變?yōu)?32nm，變換波長后的光束入射至分色鏡， 混雜在波長532nm光束中的1064nm的光束經(jīng)分色鏡反射后，反射光束被第二束流收集器的光探測端接收，而波長為532nm的光束經(jīng)分色鏡入射至控光裝置，控光裝置的出射光束入射至第四反射鏡，經(jīng)第四反射鏡反射的反射光束經(jīng)光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后入射至第五反射鏡，經(jīng)第四反射鏡透射的少量透射余光被光束輪廓曲線儀的光探測端接收，被光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡擴(kuò)束的光束經(jīng)第五反射鏡入射至聚焦加工鏡頭，經(jīng)過聚焦加工鏡頭聚焦的光束用于對固定在加工平臺上的工件進(jìn)行加工；從工件反射回來的少量余光被顯微成像CXD組件的光接收端接收，所述顯微成像 CXD組件用于對工件的加工過程進(jìn)行在線監(jiān)測，顯微成像CXD組件的控制信號輸入輸出端連接控制系統(tǒng)的控制信號輸出輸入端。所述光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡由第二聚焦透鏡和第三聚焦透鏡組成，經(jīng)第四反射鏡反射的反射光束經(jīng)第二聚焦透鏡和第三聚焦透鏡擴(kuò)束后入射至第五反射鏡。所述第二聚焦透鏡的焦距為40mm，第三聚焦透鏡的焦距為100mm，第二聚焦透鏡和第三聚焦透鏡的中心距離為140mm。它還包括外接放大器激活介質(zhì)，外接放大器激活介質(zhì)設(shè)置在第三反射鏡和倍頻發(fā)生器LBO晶體之間，第三反射鏡反射的光束入射至外接放大器激活介質(zhì)，經(jīng)外接放大器激活介質(zhì)放大能量的光束輸出入射至倍頻發(fā)生器LBO晶體；所述外接放大器激活介質(zhì)為 NdiYVO4 晶體。所述光頻隔離器由兩個偏光鏡和一個法拉第旋轉(zhuǎn)體組成。一種基于上述超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置的加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，它包括以下步驟步驟一將表面粗糙度Ra小于5 u m、平行度小于10 y m的鋼材料工件固定在加工平臺19Z向?qū)к墡拥谋砻嫔?；步驟二 調(diào)節(jié)光路，使聚焦加工鏡頭聚焦的光束的焦點(diǎn)落在工件表面的加工點(diǎn)上；
用探針E對工件的表面進(jìn)行探測，確定工件與聚焦加工鏡頭聚焦的光束的焦點(diǎn)之間的相對位置，使加工過程處于在焦加工狀態(tài)；步驟三通過加工平臺的X向?qū)к壓蚘向?qū)к壍膹?fù)合運(yùn)動來帶動工件運(yùn)動,產(chǎn)生與所述聚焦加工鏡頭聚焦的光束的焦點(diǎn)的相對運(yùn)動，來形成對工件表面的加工軌跡。步驟二中所述的調(diào)節(jié)光路的具體過程為由超快皮秒脈沖激光源發(fā)射紅外波段的超快激光束，經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大后，由光頻隔離器的第一個偏光鏡產(chǎn)生線偏振光束，然后該線偏振光束由光頻隔離器的法拉第旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)光頻隔離器的第二個偏光鏡產(chǎn)生線偏振光束；調(diào)整半波片進(jìn)而調(diào)整其出射光束的角度,使第一聚焦透鏡匯聚的光束在外接放大器激活介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行放大，并且經(jīng)過外接放大器激活介質(zhì)放大后的光束直徑小于I. 5mm ；經(jīng)放大組件開普勒擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后的光束直徑為5_，以適合與聚焦加工鏡頭的通光口徑匹配。所述超快皮秒脈沖激光源發(fā)射的紅外波段的超快激光束的脈沖寬度為8. Ips,波長為1064nm，重復(fù)頻率為l_640kHz，最大單脈沖能量為100 y J ;經(jīng)倍頻發(fā)生器LBO晶體變換波長后光束的波長為532nm。所述加工平臺沿X向?qū)к壓蚘向?qū)к?，在加工超疏水功能性微結(jié)構(gòu)表面過程中的運(yùn)動速度范圍均為100mm/mi n~1000mm/mi n。加工本發(fā)明所述的超疏水功能性微結(jié)構(gòu)過程中，聚焦加工鏡頭的焦距調(diào)節(jié)范圍為 50-150mm,兩條相鄰加工軌跡線之間的掃描間距為3_15 u m,整個加工過程中的掃描次數(shù)為
3-10次，功率密度范圍為0. 4J/cm2-2. 4J/cm2。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明采用超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)，有效地解決了在諸如模具鋼材料表面制備超疏水性微結(jié)構(gòu)表面時(shí)所存在的低效率、高投入、工藝復(fù)雜、技術(shù)不易推廣等問題。在本發(fā)明中，最高加工速度可達(dá)1000mm/min，使加工一塊面積為 5X 5mm2的超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的時(shí)間僅為lOmin，而用飛秒激光、氣相沉積或者刻蝕等技術(shù)則需要至少lh。而且本發(fā)明的加工方法實(shí)現(xiàn)了一次加工成形，無需任何后續(xù)加工處理就可以使具有微納雙重結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)元件具備超疏水等功能特性，而且具有長期的功能穩(wěn)定性。本發(fā)明方法對環(huán)境沒有任何的要求，并且對環(huán)境無污染，工藝簡單，因此容易推廣。本發(fā)明很好的實(shí)現(xiàn)了超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的制備，從而實(shí)現(xiàn)了具有自潔性功能化微結(jié)構(gòu)表面的高效、低成本和綠色生產(chǎn)。


圖I為本發(fā)明的加工功能性微結(jié)構(gòu)裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為加工平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中C為經(jīng)過聚焦加工鏡頭聚焦的光束，E為探針;圖3為本發(fā)明所述超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的不意圖；圖中A 為工件的基體材料，B為工件的加工表面形成的微結(jié)構(gòu)；圖4為工件未加工的表面與液滴的接觸角狀態(tài)示意圖；圖中D為液滴；圖5為工件采用本發(fā)明方法加工出具有微納雙重結(jié)構(gòu)的表面與液滴的接觸角狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置，它包括超快皮秒脈沖激光源I、光頻隔離器2、 第一反射鏡3-1、第二反射鏡3-2、第三反射鏡3-3、第四反射鏡3-4、第五反射鏡3-5、旋轉(zhuǎn)液晶偏振片4、偏振分束器5、第一束流收集器6-1、第二束流收集器6-2、半波片7、第一聚焦透鏡8、倍頻發(fā)生器LBO晶體10、分色鏡11、控光裝置12、光束輪廓曲線儀13、光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16、聚焦加工鏡頭17、加工平臺19、顯微成像CXD組件20和控制系統(tǒng)21，超快皮秒脈沖激光源I發(fā)射的激光束經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大后入射至光頻隔離器2，通過光頻隔離器2的光束由第一反射鏡3-1進(jìn)行反射，第一反射鏡3-1的反射光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)液晶偏振片4形成偏振光束，該偏振光束入射至偏振分束器5，經(jīng)偏振分束器5的偏振分束，光束被分為兩個部分，一部分被反射的反射光束被第一束流收集器6-1的光探測端接收，另一部分光束經(jīng)半波片7入射至第一聚焦透鏡8，該第一聚焦透鏡8的出射光束入射至第二反射鏡3-2進(jìn)行反射，第二反射鏡3-2的反射光束再經(jīng)第三反射鏡3-3反射后， 入射至倍頻發(fā)生器LBO晶體10，光束經(jīng)倍頻發(fā)生器LBO晶體10變換波長后，波長由1064nm 變?yōu)?32nm，變換波長后的光束入射至分色鏡11，混雜在波長532nm光束中的1064nm的光束經(jīng)分色鏡11反射后，反射光束被第二束流收集器6-2的光探測端接收，而波長為532nm 的光束經(jīng)分色鏡11入射至控光裝置12，控光裝置12的出射光束入射至第四反射鏡3-4，經(jīng)第四反射鏡3-4反射的反射光束經(jīng)光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16擴(kuò)束后入射至第五反射鏡3-5，經(jīng)第四反射鏡3-4透射的少量透射余光被光束輪廓曲線儀13的光探測端接收，被光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16擴(kuò)束的光束經(jīng)第五反射鏡3-5反射的光束入射至聚焦加工鏡頭17，經(jīng)過聚焦加工鏡頭17聚焦的光束用于對固定在加工平臺19上的工件18進(jìn)行加工；從工件18反射回來的少量余光被顯微成像CXD組件20的光接收端，所述顯微成像CXD組件20用于對工件18的加工過程進(jìn)行在線監(jiān)測，顯微成像CXD組件20的控制信號輸入輸出端連接控制系統(tǒng)21的控制信號輸出輸入端。本實(shí)施方式中，第一反射鏡3-1、第二反射鏡3-2和第三反射鏡3-3用于反射超快皮秒脈沖激光源I發(fā)出的波長為1064nm的激光束，經(jīng)過倍頻發(fā)生器LBO晶體10后，1064nm 的紅外激光束變成波長為532nm的綠光，第四反射鏡3_4和第五反射鏡3_5用于反射波長為532nm的綠光。透過反射鏡3-4的少量余光被光束輪廓曲線儀13接收，用以監(jiān)測光束的輪廓?？刂葡到y(tǒng)21主要用于對以下元件的控制控制超快皮秒脈沖激光源I的啟動、關(guān)閉；對旋轉(zhuǎn)液晶偏振片4通過旋轉(zhuǎn)其角度位置，調(diào)節(jié)輸出能量的大??；對倍頻發(fā)生器LBO晶體10的控制；控制光束輪廓曲線儀13用于檢測光束的輸廓；對加工平臺19的調(diào)整，如運(yùn)動的速度、加速度等；對顯微成像CXD組件20的控制。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，所述光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16由第二聚焦透鏡14和第三聚焦透鏡15組成，經(jīng)第四反射鏡3-4反射的反射光束經(jīng)第二聚焦透鏡14和第三聚焦透鏡15擴(kuò)束后入射至第五反射鏡3-5。光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16擴(kuò)束的主要目的就是把光束的直徑加大，從而用后續(xù)的光學(xué)元件來提高光束自身的質(zhì)量。本發(fā)明中，經(jīng)光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16擴(kuò)束后的光束要與聚焦加工鏡頭17的通光口徑相適應(yīng)。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式為對實(shí)施方式二的進(jìn)一步說明，所述第二聚焦透鏡 14的焦距為40mm，第三聚焦透鏡15的焦距為100mm，第二聚焦透鏡14和第三聚焦透鏡15 的中心距離為140mm。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式還包括外接放大器激活介質(zhì)9，外接放大器激活介質(zhì)9設(shè)置在第三反射鏡3-3和倍頻發(fā)生器 LBO晶體10之間，第三反射鏡3-3反射的光束入射至外接放大器激活介質(zhì)9，經(jīng)外接放大器激活介質(zhì)9放大能量的光束輸出入射至倍頻發(fā)生器LBO晶體10 ;所述外接放大器激活介質(zhì) 9為NdiYVO4晶體。本實(shí)施方式是為了提高超快皮秒脈沖激光源I輸出的激光束的能量。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二、三或四的進(jìn)一步說明，所述光頻隔離器2由兩個偏光鏡和一個法拉第旋轉(zhuǎn)體組成。
具體實(shí)施方式
六下面結(jié)合圖I和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為基于實(shí)施方式一至五中任一實(shí)施方式所述超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置的加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，它包括以下步驟步驟一將表面粗糙度Ra小于5 U m、平行度小于10 ii m的鋼材料工件18固定在加工平臺19Z向?qū)к墡拥谋砻嫔?；步驟二 調(diào)節(jié)光路，使聚焦加工鏡頭17聚焦的光束的焦點(diǎn)落在工件18表面的加工點(diǎn)上；用探針E對工件18的表面進(jìn)行探測，確定工件18與聚焦加工鏡頭17聚焦的光束的焦點(diǎn)之間的相對位置，使加工過程處于在焦加工狀態(tài)；步驟三通過加工平臺19的X向?qū)к壓蚘向?qū)к壍膹?fù)合運(yùn)動來帶動工件18運(yùn)動， 產(chǎn)生與所述聚焦加工鏡頭17聚焦的光束的焦點(diǎn)的相對運(yùn)動，來形成對工件18表面的加工軌跡。本實(shí)施方式中所述的整個光路可在鋁管中進(jìn)行傳播，以避免由于光束在傳播過程中的散射、反射等對操作者造成的傷害。本實(shí)施方式的步驟一中對工件18平行度的要求，是為了保證在整個加工過程中， 都在聚焦加工鏡頭17聚焦的光束的焦點(diǎn)位置進(jìn)行加工。要求工件18具有較光滑的表面， 主要是為了減少在實(shí)際加工過程中光束的散射、反射等，從而避免造成輸入能量的損失。在步驟一和步驟二中，工件18與聚焦加工鏡頭17要始終保持平行的狀態(tài)，從而保證聚焦加工鏡頭17聚焦的焦點(diǎn)在加工過程中一直在工件18的初始平面上加工。
具體實(shí)施方式
七下面結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式六的進(jìn)一步說明，步驟二中所述的調(diào)節(jié)光路的具體過程為由超快皮秒脈沖激光源I發(fā)射紅外波段的超快激光束，經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大后，由光頻隔離器2的第一個偏光鏡產(chǎn)生線偏振光束,然后該線偏振光束由光頻隔離器2 的法拉第旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)光頻隔離器2的第二個偏光鏡產(chǎn)生線偏振光束；調(diào)整半波片7進(jìn)而調(diào)整其出射光束的角度，使第一聚焦透鏡8匯聚的光束在外接放大器激活介質(zhì)9內(nèi)進(jìn)行放大，并且經(jīng)過外接放大器激活介質(zhì)9放大后的光束直徑小于
經(jīng)放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16擴(kuò)束后的光束直徑為5mm，以適合與聚焦加工鏡頭17 的通光口徑匹配。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式為對實(shí)施方式六或七的進(jìn)一步說明，所述超快皮秒脈沖激光源I發(fā)射的紅外波段的超快激光束的脈沖寬度為8. lps，波長為1064nm，重復(fù)頻率為l_640kHz，最大單脈沖能量為100 u J ;經(jīng)倍頻發(fā)生器LBO晶體10變換波長后光束的波長為 532nm。本實(shí)施方式所述超快皮秒脈沖激光源I發(fā)射的紅外波段的超快激光束的脈沖穩(wěn)定性小于1% rms，光束質(zhì)量M2 < I. I。本實(shí)施方式采用的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性功能微結(jié)構(gòu)，用到的最高重復(fù)頻率達(dá)200kHz，從而在保證工件18的單位面積上吸收一定量的脈沖個數(shù)之后，可以應(yīng)用非常高的加工速度，如1000mm/min。這就極大的提高了加工功能性微結(jié)構(gòu)表面的加工效率。 從而降低了加工成本及工藝的復(fù)雜性。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式為對實(shí)施方式六、七或八的進(jìn)一步說明，所述加工平臺19沿X向?qū)к壓蚘向?qū)к?，在加工超疏水功能性微結(jié)構(gòu)表面過程中的運(yùn)動速度范圍均為 100mm/min~1000mm/min。本實(shí)施方式中所述的運(yùn)動速度范圍指的是加工超疏水性微結(jié)構(gòu)時(shí)加工平臺19的運(yùn)動速度。
具體實(shí)施方式
十下面結(jié)合圖I至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式六、七、八或九的進(jìn)一步說明，加工本發(fā)明所述的超疏水功能性微結(jié)構(gòu)過程中，聚焦加工鏡頭17的焦距調(diào)節(jié)范圍為50-150mm，兩條相鄰加工軌跡線之間的掃描間距為3-15iim，整個加工過程中的掃描次數(shù)為3-10次，功率密度范圍是為0. 4J/cm2-2. 4J/cm2。所述聚焦加工鏡頭17可以采用焦距為50mm、70mm、IOOmm或150mm的焦距透鏡來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中第一反射鏡3-1、第二反射鏡3-2、第三反射鏡3-3、第四反射鏡3_4和第五反射鏡3-5均為電介質(zhì)反射鏡，倍頻發(fā)生器LBO晶體10需置于精密溫度控制箱中，由第二聚焦透鏡14和第三聚焦透鏡15組成的光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16用于對光束進(jìn)行擴(kuò)束。超快皮秒脈沖激光源I產(chǎn)生的超快激光經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大之后通過光頻隔離器2，光頻隔離器2可以有效的保護(hù)內(nèi)置的再生放大器中的光學(xué)元件不會受到從工件18反射回來并經(jīng)過外接放大器激活介質(zhì)9Nd:YV04晶體放大之后的光束的破壞。光頻隔離器2由兩個偏光鏡和一個法拉第旋轉(zhuǎn)體組成,第一個偏光鏡產(chǎn)生線性偏振光,然后光束的偏振方向由法拉第旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)45° ,以便相對于第一個偏光鏡而言,第二個偏光鏡還能旋轉(zhuǎn)45°，從而使光束能夠順利穿過光頻隔離器2。從工件18反射回來的光束由第二個偏光鏡進(jìn)行極化，并且它的偏振方向由法拉第旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)45°，這就意味著光束被水平極化了。由于兩個偏光鏡是垂直布局的，因此光線可以被消除，并且由工件18反射回來的光線也不會對再生放大器中的光學(xué)元件造成破壞。使本發(fā)明的整個光路系統(tǒng)的激光束在鋁管中傳播，并且由第一反射鏡3-1進(jìn)行反射，然后光束通過由旋轉(zhuǎn)液晶偏振片4、偏振分束器5和第一束流收集器6-1組成的快速光束功率控制單元。旋轉(zhuǎn)液晶偏振片4是液晶補(bǔ)償可變延遲器(LCR)與零級聚合體X/4波片延遲器的集合體。這些元器件的組合就可以依據(jù)應(yīng)用到LCR的電壓和在其后的用來分離 s和p偏振的元件來調(diào)整輸入光束的線性偏振。在內(nèi)置的再生放大器的輸出端，與地面相互垂直的表面就被線性極化。因此偏振分束器5就可以反射被垂直極化了的光束部分，被傳播的光束則進(jìn)一步放大。內(nèi)置的再生放大器的所有光束能量都可以被使用，因?yàn)樗p器的傳播效率可高達(dá)100%。隨后，光束通過一個半波片7來調(diào)整到合適的角度來滿足放大時(shí)對偏振的要求， 并且被匯聚來滿足在外接放大器激活介質(zhì)9內(nèi)進(jìn)行放大的最佳條件。置于第一聚焦透鏡8 和外接放大器激活介質(zhì)9之間的第二反射鏡3-2和第三反射鏡3-3就是為了光束的調(diào)整。 通過計(jì)算求得第一聚焦透鏡8的焦距值，來滿足最佳匹配模式的要求，這樣光束經(jīng)過外接放大器激活介質(zhì)9之后就可以達(dá)到完好的校準(zhǔn)，而無需后續(xù)的聚焦光學(xué)元件。經(jīng)過外接放大器激活介質(zhì)9之后的光束直徑小于I. 5_。緊跟著外接放大器激活介質(zhì)9之后的是一個倍頻發(fā)生器LBO晶體10，在LBO (三硼酸鋰LiB3O5)晶體里，最開始1064nm的紅外激光經(jīng)過非線性過程轉(zhuǎn)化為可見的532nm的綠光。由于倍頻發(fā)生器LBO晶體10在148. 33°C時(shí)不是嚴(yán)格的相位匹配，因此在工作中該晶體會被加熱，并且該晶體的溫度要被嚴(yán)格的控制。倍頻發(fā)生器LBO晶體10是標(biāo)準(zhǔn)的將光的波長降為輸入光束的一半的裝置，它是一個熱敏感元件。具有一個第二束流收集器6-2的分色鏡11，對仍是紅外波段的光束起到過濾的作用，然后光束通過控光裝置12，它可以保護(hù)NchYVO4晶體，因?yàn)閺膫?cè)面反射回來的光很有可能會破壞該晶體。然后光束經(jīng)置于控光裝置12和用以檢測光束輪廓的光束輪廓曲線儀13之間的第四反射鏡3-4反射傳送到光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16，并經(jīng)擴(kuò)束之后，光斑直徑可達(dá) 5mm。選用這個值不僅是為了緊聚焦，也為了適應(yīng)微加工的聚焦加工鏡頭17的最大通光口徑的需要。光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16由第二聚焦透鏡14和第三聚焦透鏡15組成，前一透鏡的焦距為40mm，后者的透鏡焦距為100mm，兩個透鏡之間的中心距離為140mm。最終，經(jīng)過光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡16擴(kuò)束的光束經(jīng)過第五反射鏡3-5后到達(dá)聚焦加工鏡頭17處，經(jīng)過聚焦的光束可以對固定在加工平臺19上的工件18進(jìn)行加工，同時(shí)，整個系統(tǒng)的加工過程可以通過顯微成像CXD組件20傳遞給控制系統(tǒng)21進(jìn)行在線監(jiān)測， 同時(shí)顯微成像CXD組件20還可以用于輔助焦點(diǎn)位置的在線觀測。整個超快激光微加工及光路系統(tǒng)由控制系統(tǒng)21進(jìn)行操作及相關(guān)控制。本發(fā)明對表面光滑的工件18不需要進(jìn)行任何處理就可以直接進(jìn)行加工。工件18 固定在加工平臺19的X-Y平面上；聚焦加工鏡頭17聚焦的光束與Z向?qū)к壠叫?。工?8 在完成超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的加工之后，無需任何后處理便可依托在材料表面形成的微納雙重結(jié)構(gòu)使其具有超疏水的功能特性。本發(fā)明適用于多種功能性材料表面的加工。
權(quán)利要求
1.超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置，其特征在于它包括超快皮秒脈沖激光源(I)、光頻隔離器(2)、第一反射鏡(3-1)、第二反射鏡(3-2)、第三反射鏡(3-3)、 第四反射鏡(3-4)、第五反射鏡(3-5)、旋轉(zhuǎn)液晶偏振片(4)、偏振分束器(5)、第一束流收集器￠-1)、第二束流收集器￠-2)、半波片(7)、第一聚焦透鏡(8)、倍頻發(fā)生器LBO晶體(10)、分色鏡(11)、控光裝置(12)、光束輪廓曲線儀(13)、光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡(16)、聚焦加工鏡頭(17)、加工平臺(19)、顯微成像C⑶組件(20)和控制系統(tǒng)(21)， 超快皮秒脈沖激光源(I)發(fā)射的激光束經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大后入射至光頻隔離器(2)，通過光頻隔離器(2)的光束由第一反射鏡(3-1)進(jìn)行反射，第一反射鏡(3-1)的反射光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)液晶偏振片(4)形成偏振光束,該偏振光束入射至偏振分束器(5)，經(jīng)偏振分束器(5)的偏振分束，光束被分為兩個部分，一部分被反射的反射光束被第一束流收集器(6-1)的光探測端接收，另一部分光束經(jīng)半波片(7)入射至第一聚焦透鏡(8)，該第一聚焦透鏡(8)的出射光束入射至第二反射鏡(3-2)進(jìn)行反射，第二反射鏡(3-2)的反射光束再經(jīng)第三反射鏡(3-3)反射后，入射至倍頻發(fā)生器LBO晶體(10)，光束經(jīng)倍頻發(fā)生器LBO 晶體(10)變換波長后，波長由1064nm變?yōu)?32nm，變換波長后的光束入射至分色鏡(11)， 混雜在波長532nm光束中的1064nm的光束經(jīng)分色鏡(11)反射后，反射光束被第二束流收集器(6-2)的光探測端接收，而波長為532nm的光束經(jīng)分色鏡(11)入射至控光裝置(12)， 控光裝置(12)的出射光束入射至第四反射鏡(3-4)，經(jīng)第四反射鏡(3-4)反射的反射光束經(jīng)光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡(16)擴(kuò)束后入射至第五反射鏡(3-5)，經(jīng)第四反射鏡(3-4) 透射的少量透射余光被光束輪廓曲線儀(13)的光探測端接收，被光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡(16)擴(kuò)束的光束經(jīng)第五反射鏡(3-5)入射至聚焦加工鏡頭(17)，經(jīng)過聚焦加工鏡頭(17)聚焦的光束用于對固定在加工平臺(19)上的工件(18)進(jìn)行加工；從工件(18)反射回來的少量余光被顯微成像C⑶組件(20)的光接收端接收，所述顯微成像C⑶組件(20)用于對工件(18)的加工過程進(jìn)行在線監(jiān)測，顯微成像C⑶組件(20) 的控制信號輸入輸出端連接控制系統(tǒng)(21)的控制信號輸出輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置，其特征在于所述光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡(16)由第二聚焦透鏡(14)和第三聚焦透鏡(15)組成，經(jīng)第四反射鏡(3-4)反射的反射光束經(jīng)第二聚焦透鏡(14)和第三聚焦透鏡(15)擴(kuò)束后入射至第五反射鏡(3-5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置，其特征在于所述第二聚焦透鏡(14)的焦距為40mm，第三聚焦透鏡(15)的焦距為100mm，第二聚焦透鏡(14)和第三聚焦透鏡(15)的中心距離為140mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置， 其特征在于它還包括外接放大器激活介質(zhì)(9)，外接放大器激活介質(zhì)(9)設(shè)置在第三反射鏡(3-3)和倍頻發(fā)生器LBO晶體(10)之間，第三反射鏡(3-3)反射的光束入射至外接放大器激活介質(zhì)(9)，經(jīng)外接放大器激活介質(zhì)(9)放大能量的光束輸出入射至倍頻發(fā)生器LBO晶體(10);所述外接放大器激活介質(zhì)(9)為Nd = YVO4晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置，其特征在于所述光頻隔離器(2)由兩個偏光鏡和一個法拉第旋轉(zhuǎn)體組成。
6.一種基于權(quán)利要求I所述超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置的加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，其特征在于它包括以下步驟步驟一將表面粗糙度Ra小于5 μ m、平行度小于10 μ m的鋼材料工件(18)固定在加工平臺(19)Z向?qū)к墡拥谋砻嫔?；步驟二 調(diào)節(jié)光路，使聚焦加工鏡頭(17)聚焦的光束的焦點(diǎn)落在工件(18)表面的加工點(diǎn)上；用探針E對工件(18)的表面進(jìn)行探測，確定工件(18)與聚焦加工鏡頭(17)聚焦的光束的焦點(diǎn)之間的相對位置，使加工過程處于在焦加工狀態(tài)；步驟三通過加工平臺(19)的X向?qū)к壓蚘向?qū)к壍膹?fù)合運(yùn)動來帶動工件(18)運(yùn)動， 產(chǎn)生與所述聚焦加工鏡頭(17)聚焦的光束的焦點(diǎn)的相對運(yùn)動，來形成對工件(18)表面的加工軌跡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，其特征在于步驟二中所述的調(diào)節(jié)光路的具體過程為由超快皮秒脈沖激光源(I)發(fā)射紅外波段的超快激光束，經(jīng)過內(nèi)置的再生放大器放大后，由光頻隔離器(2)的第一個偏光鏡產(chǎn)生線偏振光束，然后該線偏振光束由光頻隔離器(2)的法拉第旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)光頻隔離器(2)的第二個偏光鏡產(chǎn)生線偏振光束；調(diào)整半波片(7)進(jìn)而調(diào)整其出射光束的角度，使第一聚焦透鏡(8)匯聚的光束在外接放大器激活介質(zhì)(9)內(nèi)進(jìn)行放大，并且經(jīng)過外接放大器激活介質(zhì)(9)放大后的光束直徑小于 I. 5mm ；經(jīng)放大組件開普勒擴(kuò)束鏡(16)擴(kuò)束后的光束直徑為5mm，以適合與聚焦加工鏡頭(17) 的通光口徑匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，其特征在于所述超快皮秒脈沖激光源(I)發(fā)射的紅外波段的超快激光束的脈沖寬度為8. Ips, 波長為1064nm，重復(fù)頻率為l_640kHz，最大單脈沖能量為100 μ J ;經(jīng)倍頻發(fā)生器LBO晶體(10)變換波長后的光束的波長為532nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，其特征在于所述加工平臺(19)沿X向?qū)к壓蚘向?qū)к墸诩庸こ杷δ苄晕⒔Y(jié)構(gòu)表面過程中的運(yùn)動速度范圍均為100mm/min-1000mm/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的方法，其特征在于加工超疏水功能性微結(jié)構(gòu)過程中，所述聚焦加工鏡頭(17)的焦距調(diào)節(jié)范圍為 50-150mm，兩條相鄰加工軌跡線之間的掃描間距為3_15 μ m，整個加工過程中的掃描次數(shù)為 3-10次，功率密度范圍為O. 4J/cm2-2. 4J/cm2。
全文摘要
超快皮秒脈沖激光加工超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的裝置及方法，屬于功能性微結(jié)構(gòu)表面的制備領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有功能性元件的加工工藝和加工技術(shù)存在的高投入和低產(chǎn)出的問題。本發(fā)明的裝置包括超快皮秒脈沖激光源、光頻隔離器、五個反射鏡、旋轉(zhuǎn)液晶偏振片、偏振分束器、兩個束流收集器、半波片、聚焦透鏡、倍頻發(fā)生器LBO晶體、分色鏡、控光裝置、光束輪廓曲線儀、光束放大組件開普勒擴(kuò)束鏡、聚焦加工鏡頭、加工平臺、顯微成像CCD組件和控制系統(tǒng)，本發(fā)明所述的方法將鋼材料工件固定在加工平臺Z向?qū)к墡颖砻嫔?；調(diào)節(jié)光路；用探針對工件表面探測；通過加工平臺X向和Y向?qū)к壍倪\(yùn)動帶動工件運(yùn)動。用于超疏水性微結(jié)構(gòu)表面的制備。
文檔編號B23K26/04GK102581478SQ20121001893
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者于欣, 姜濤, 張珊珊, 董志偉, 趙清亮 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)