一種控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明利用脈寬15fs到5ps的超短脈沖激光所誘導(dǎo)的等離子體細(xì)絲直接輻照金屬表面，通過(guò)控制超短脈沖激光參數(shù)及其絲在金屬表面的掃描速度和掃描間距實(shí)現(xiàn)等離子體細(xì)絲對(duì)金屬表面誘導(dǎo)微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的控制：通過(guò)改變激光誘導(dǎo)等離子細(xì)絲的入射角度改變微納米結(jié)構(gòu)的朝向；通過(guò)改變激光的偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米結(jié)構(gòu)形狀的控制。本專利提供了一種可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)太陽(yáng)能吸收體等器件的方法。
【專利說(shuō)明】—種控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光微加工和金屬表面微納米結(jié)構(gòu)的制備領(lǐng)域，特別涉及超短脈沖激光處理金屬表面制備微納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬表面改性的技術(shù)目前并不是很多，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展及其理論逐漸成熟，越來(lái)越多的科學(xué)工作者將目光投向金屬表面微納米結(jié)構(gòu)的制備與研究，經(jīng)過(guò)不同手段與方法在金屬表面制備出的微納米結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域，如太陽(yáng)能吸收、高效熱輻射源、熱輻射轉(zhuǎn)換和生物探測(cè)器等，都有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]利用電子束或等離子體刻蝕可以在金屬表面制備微納米結(jié)構(gòu)，但是電子束或等離子體刻蝕加工條件苛刻，加工成本高。利用超短脈沖激光同樣可以直接制備金屬表面微納米功能結(jié)構(gòu)，目前已報(bào)道的利用超短脈沖激光誘導(dǎo)制備金屬表面微納米功能結(jié)構(gòu)的專利文獻(xiàn)有:CN101531335A將飛秒激光經(jīng)物鏡或透鏡聚焦，并使之作用于金屬靶材上，利用飛秒激光結(jié)合二維精密位移臺(tái)移動(dòng)，產(chǎn)生微、納米周期性微結(jié)構(gòu)，是一種制備超疏水性的功能微納米結(jié)構(gòu)的方法。CN101380693A提供了一種在空氣環(huán)境中，使用IOX顯微物鏡將入射的飛秒激光脈沖垂直聚焦在金屬材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生微納結(jié)構(gòu)，這些微納米結(jié)構(gòu)可在寬光譜范圍提聞和增強(qiáng)材料熱福射效率。
[0004]激光在金屬表面可由激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體波共振效應(yīng)制備一種亞微米光柵結(jié)構(gòu)，這樣的亞微米光柵結(jié)構(gòu)的尺寸依賴于入射激光的波長(zhǎng)，由于激光波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)比較困難，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面不具備良好的可控性。利用飛秒激光直接聚焦加工金屬會(huì)帶來(lái)金屬表面的質(zhì)量遷移，大量噴濺物會(huì)使短聚焦透鏡在工業(yè)加工中應(yīng)用困難，也間接限制了對(duì)聚焦光斑尺寸的優(yōu)化，進(jìn)一步限制了對(duì)光柵周期的控制。而且激光加工金屬表面微納結(jié)構(gòu)這一技術(shù)必須保證激光聚焦光斑的尺寸，對(duì)聚焦系統(tǒng)的精度要求很高，也增加了加工設(shè)備的成本。
[0005]金屬表面制備微納米結(jié)構(gòu)的方法有很多，但由于微納米量級(jí)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，這樣對(duì)于表面微納米結(jié)構(gòu)形貌特征的控制就變得非常困難，那么利用合理的手段使得這種微納米量級(jí)結(jié)構(gòu)在制備上具有良好的操控性就變得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)以往在金屬表面制備微納米結(jié)構(gòu)可控性上的不足，提出了的一種控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，該方法利用脈寬15fs到5ps的超短脈沖激光所誘導(dǎo)的等離子體細(xì)絲直接輻照金屬表面，通過(guò)控制飛秒激光參數(shù)及其等離子體細(xì)絲在金屬表面的掃描速度、掃描間距和絲入射角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)大小、分布和朝向的控制；通過(guò)改變激光偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)等離子體細(xì)絲對(duì)金屬表面誘導(dǎo)微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)形狀的控制。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案:
利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其具體步驟如下:
(I)在超短脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦或自由傳輸在空氣中形成一段等離子體細(xì)絲。
[0008](2)利用波片實(shí)現(xiàn)對(duì)激光偏振態(tài)的控制，通過(guò)改變平移臺(tái)固定角度或激光入射角度的方式來(lái)改變激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲與樣品表面的相對(duì)角度，通過(guò)電腦程序控制掃描間距和掃描速度。
[0009](3)采用控制光或樣品進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)等離子體細(xì)絲在樣品表面的掃描加工。
[0010]所述的超短脈沖激光成絲控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法是利用超短脈沖聚焦誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲在金屬表面進(jìn)行輻照加工。
[0011]所述的對(duì)激光偏振態(tài)的控制方法是利用1/4波片實(shí)現(xiàn)圓偏振態(tài)、1/2波片實(shí)現(xiàn)偏振方向的控制作用。
[0012]所述的改變激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲入射角度通過(guò)改變平移臺(tái)的固定角度來(lái)改變激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲的入射角度，角度范圍15° -90°，進(jìn)而可改變微納米結(jié)構(gòu)的表面朝向。
[0013]所述的通過(guò)電腦程序控制平移臺(tái)的掃描間距和掃描速度，間距范圍20 μ m-lmm和速度200 μ m/s-10cm/s,進(jìn)而可控制微納米結(jié)構(gòu)的分布密度。
[0014]所述的金屬材料為金、銀、鐵、鑰、鋁、鎳、鈦、鎂、不銹鋼以及它們的合金材料或者主要成分為前述材料的復(fù)合金屬材料。
[0015]所述的加工金屬厚度為100 μ m -0.5m。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)本發(fā)明利用超短脈沖激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲直接輻照金屬表面，是一種物理現(xiàn)象，幾乎可以應(yīng)用在各種金屬材料上，而且制作流程簡(jiǎn)單，可應(yīng)用的金屬種類范圍非常廣，生產(chǎn)效率高，由于加工深度大，所以不存在對(duì)光學(xué)透鏡的污染，而且也不需要精確的聚焦定位系統(tǒng)。
[0017](2)本發(fā)明利用超短脈沖成絲有角度輻照金屬表面，可以有效控制微納米柱型結(jié)構(gòu)的表面朝向，可以在大的角度范圍內(nèi)對(duì)微納米結(jié)構(gòu)表面朝向進(jìn)行精確控制，而且這種柱形微結(jié)構(gòu)可以在各種粗糙或者非平面金屬表面上制備。
[0018](3)本發(fā)明利用不同的激光偏振態(tài)控制產(chǎn)生等離子體細(xì)絲的偏振形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面微納米結(jié)構(gòu)形狀上的控制。
[0019](4)本發(fā)明可以通過(guò)控制平移臺(tái)移動(dòng)速度和移動(dòng)間距來(lái)控制微納米結(jié)構(gòu)的分布和密度，該方法的控制范圍廣。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1超短脈沖激光成絲改變金屬表面光學(xué)特性的方法示意圖。
[0021]圖2絲掃描間距與微柱結(jié)構(gòu)平均距離的函數(shù)關(guān)系曲線。
[0022]圖3絲掃描間距與微柱尺寸的函數(shù)關(guān)系曲線。
[0023]圖4等離子絲與樣品表面夾角為90°時(shí)，表面微觀形貌照片(拍攝角度為45° )。
[0024]圖5等離子絲與樣品表面夾角為75°時(shí)，表面微觀形貌照片(拍攝角度為45° )。
[0025]圖6等離子絲與樣品表面夾角為60°時(shí)，表面微觀形貌照片(拍攝角度為45° )。[0026]圖7等離子絲與樣品表面夾角為45°時(shí)，表面微觀形貌照片(拍攝角度為45° )。
[0027]圖8等離子絲與樣品表面夾角為90°時(shí)，線偏振光作用于樣品后表面微觀形貌照片(俯視圖)，偏振方向由白色箭頭表示。
[0028]圖9等離子絲與樣品表面夾角為90°時(shí)，圓偏振光作用于樣品后表面微觀形貌照片(俯視圖)，偏振方向由白色箭頭表示。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
選用的金屬材料應(yīng)該先通過(guò)清潔方式獲得潔凈的表面，可以分別采取乙醇或丙酮等試劑擦拭表面。如圖1所示，清潔后的樣品7置于平移臺(tái)6上，超短脈沖激光器I發(fā)出的脈沖激光依次經(jīng)過(guò)光強(qiáng)調(diào)節(jié)器2、空間光強(qiáng)整形器3、光偏振調(diào)節(jié)器4、光學(xué)聚焦系統(tǒng)5后在空氣中產(chǎn)生等離子體絲，絲直接作用在樣品7上。其中光強(qiáng)調(diào)節(jié)器可由中性衰減片或半波片和格蘭棱鏡組合構(gòu)成；偏振調(diào)節(jié)器可由半波片或1/4波片組成；光學(xué)聚焦系統(tǒng)可由透鏡聚焦或者振鏡與場(chǎng)鏡聚焦構(gòu)成。
[0030]實(shí)施例1
本實(shí)施例中的金屬樣品為鋁，將鋁樣品置于飛秒脈沖激光所誘導(dǎo)的細(xì)絲下，本實(shí)例中選用的飛秒脈沖激光中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率1kHz，脈沖寬度為50fs，水平線偏振，單脈沖能量為3.5mJ的飛秒激光通過(guò)焦距為Im的聚焦透鏡形成長(zhǎng)度約為11厘米的等離子體細(xì)絲。樣品固定于三維平移臺(tái)，平移臺(tái)固定方向垂直于等離子細(xì)絲，使等離子細(xì)絲可以垂直輻照與金屬樣品表面，樣品加工位置距聚焦透鏡距離為95cm，通過(guò)移動(dòng)三維平移臺(tái)，通過(guò)掃描速度5mm/s,改變掃描間距為0.02mm_0.08mm,從而控制激光表面微納米結(jié)構(gòu)的分布密度和尺寸，形貌變化趨勢(shì)如圖2-3所示。
[0031]實(shí)施例2
本實(shí)施例中應(yīng)用的樣品、激光參數(shù)、和成絲參數(shù)與實(shí)例I相同，樣品固定于三維平移臺(tái)，平移臺(tái)固定方向使得樣品表面與等離子細(xì)絲成角度放置(90° ,75° ,60° ,45° )，使等離子細(xì)絲可以傾斜輻照與金屬樣品表面，樣品加工位置距聚焦透鏡距離為95cm，平移臺(tái)掃描速度4mm/s，掃描間距0.04mm。通過(guò)等離子體細(xì)絲與金屬鋁表面夾角控制金屬鋁表面微納米結(jié)構(gòu)的俯仰指向，結(jié)果如圖4-7所示。
[0032]實(shí)施例3
本實(shí)施例中應(yīng)用的樣品、激光參數(shù)、和成絲參數(shù)與實(shí)例I相同，通過(guò)圓偏振和不同偏振方向的線偏振激光誘導(dǎo)的等離子體細(xì)絲控制鋁表面微納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)，結(jié)果如圖8-9所
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【權(quán)利要求】
1.一種利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其特征在于，該方法由以下步驟組成: (1)超短脈沖激光經(jīng)透鏡聚焦或自由傳輸在空氣中形成一段等離子體細(xì)絲； (2)利用波片實(shí)現(xiàn)對(duì)激光偏振態(tài)的控制，通過(guò)改變平移臺(tái)固定角度或激光入射角度的方式來(lái)改變激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲與樣品表面的相對(duì)角度，通過(guò)電腦程序控制掃描間距和掃描速度； (3)采用控制光或樣品進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)等離子體細(xì)絲在樣品表面的輻照掃描加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其特征在于利用1/4波片、1/2波片對(duì)激光偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變微納米結(jié)構(gòu)的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其特征在于通過(guò)改變樣品與入射激光相對(duì)角度來(lái)改變激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲的入射角度，15° -90°，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米結(jié)構(gòu)表面朝向的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其特征在于通過(guò)電腦程序控制平移臺(tái)的掃描間距和掃描速度，間距范圍20μπι-1πιπι，速度范圍ZOOym/s-lOcm/s，進(jìn)而控制單位面積激光輻照量，從而控制微納米結(jié)構(gòu)的分布密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其特征在于金屬材料為金、銀、鐵、鑰、鋁、鎳、鈦、鎂、不銹鋼以及它們的合金材料或者主要成分為前述材料的復(fù)合金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用改變誘導(dǎo)成絲的激光參數(shù)和掃描參數(shù)來(lái)控制金屬表面微納米結(jié)構(gòu)尺寸和分布的方法，其特征在于超短脈沖激光誘導(dǎo)等離子體細(xì)絲加工金屬厚度為 100 μ m -0.5m。
【文檔編號(hào)】B23K26/00GK103433618SQ201310315665
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】陶海巖, 林景全, 宋曉偉, 刁凌天, 郝作強(qiáng) 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)