CN102922128B - 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 - Google Patents
一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102922128B CN102922128B CN201210435951.2A CN201210435951A CN102922128B CN 102922128 B CN102922128 B CN 102922128B CN 201210435951 A CN201210435951 A CN 201210435951A CN 102922128 B CN102922128 B CN 102922128B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- hot spot
- metal material
- mirror
- material surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种利用纳秒脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法。其制备步骤如下：将试样材料表面进行机械打磨和抛光后，用无水乙醇超声清洗干净；采用纳秒脉冲激光工艺，通过预制镜对激光束进行调制，在空气环境中，激光束经预制镜进行预调制后垂直入射到材料表面，即可在材料表面诱导产生周期性波纹结构。本发明的优点在于其工艺简单，实验周期短，实施费用低且无污染，是一种在材料表面快速制备周期性波纹结构的方法，具有巨大的研究意义及应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面微制造领域，更加具体地说，特别是一种利用脉冲激光在材料表面快速制备周期性微波纹结构的方法。
背景技术
形态学表面改性技术就是在不改变表面化学性质的前提下通过改善材料表面微观形貌以提高其表面的特性。在1998年，Nature上就报道过通过预制微结构的方式获得了具有一定有序性的波纹的研究结果。此后，很多方法被研究和建议，但时至今日尚无一种方法能够制备出完美的人造波纹结构。尽管如此，一种基于规则波纹结构的易于大面积实现、低成本的表面微纳结构制备方法一直在吸引并激励着人们克服种种困难。
近来，部分研究者开始使用激光这一手段在材料表面制备周期性结构，以实现材料表面性能的改变。Liang[Surface modification of cp-Ti using femtosecond lasermicromachining and the deposition of Ca/P layer]等使用飞秒激光在纯钛表面制备了明显的微沟槽结构，波纹周期为20μm。Chuan[Path-Guided Wrinkling ofNanoscale Metal Films]等使用激光直写技术在材料表面制备出可设计、无缺陷和高度有序的表面波形结构。专利CN 102626826A公开了一种基于激光冲击波的高效微凹槽制备装置及方法，利用激光诱导的冲击波产生的巨大压力，将金属网嵌入金属材料表面，在金属表面形成微凹槽。
综上所述，这些已有的研究报道均是利用激光来实现表面波纹结构的制备。通过以上技术均可制备出可设计、可控的规则波形结构。但是均存在设备昂贵、制备工艺复杂等缺陷，其应用也受到局限。
发明内容
针对目前激光表面图案化技术的不足，在本发明中通过预制镜对激光进行预制，从而得到一种微米级的具有周期性环形结构的材料，本发明工艺简单、方便实用且无污染，可用于熔点较低的纯镁和纯钛等金属及非金属材料。
本发明的技术方案：
一种利用脉冲激光在材料表面制备周期性环形结构的方法，其特征在于制备步骤如下：
1)材料表面经机械打磨和抛光后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将
其固定在试样平台上，固定移动平台与激光器的距离。
2)将预制镜置于激光器前部，使用该预制镜对激光束进行预调制。
3)将上述试样材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的表面，并使光斑落在上述金属材料的表面上。
4)保持入射的激光束方向不变，通过调整激光器入射能量及轰击次数，在上述材料表面制备获得不同深度及宽度的微米级的周期性环形结构。
所述试样为熔点较低的纯镁和纯钛等金属及非金属材料。
所述激光的参数为：脉冲重复频率为不低于0.1Hz，激光波长为不低于946nm的长波，脉宽为纳秒量级。
所述入射激光能量不低于10毫焦耳。
所述入射激光的轰击次数不低于1次，在试样材料表面诱导产生不同深度的周期性环形结构。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过改变激光入射能量以及轰击次数可得到不同深度、不同周期的微米级的周期性结构。
(2)本发明的优势在于快速的脉冲持续时间将会导致激光作用过程中热传导效应在根本上得到减弱和消除。
(3)本发明是通过对脉冲激光进行预调制来制备微结构，这种加工工艺存在更加方便快捷，并且工艺简单，制备成本低。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得的纯镁表面微米级的周期性环形结构的金相照片。
图2为本发明实施例2所制得的纯钛表面微米级的周期性环形结构的金相照片。
图3为本发明实施例1所制得的纯镁表面微米级的周期性环形结构的扫描照片和EDS能谱分析图，其中(a)为扫描电镜照片，(b)(c)分别为元素镁和氧的面扫。
图4为本发明实施例1所制得的样品的表面结构与测量。
图5为本发明所用预制镜对激光进行预制的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本专利所用预制镜为Dawa-350型Nd:YAG激光器配备的一种均匀反射输出镜，其反射率为80％，反射膜半径a＝2mm。依据标准衍射理论，因为此预制镜上的反射膜是一层层镀上去的，这样就会形成一种梯度的变化，所得到的光斑就会出现这种波纹型结构。
实施例1：
1)将10×10×4mm3的纯镁材料依次用400-2000号水砂纸逐级打磨后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将其固定在三维移动平台上，固定移动平台与激光器的距离，其距离为20cm。
2)将预制镜安装于激光器头部，使用该预制镜对激光束进行预调制。
3)将上述金属材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述金属材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的整个表面，并使光斑全部落在上述金属材料的表面上。所述激光的参数为：脉冲重复频率为1Hz，激光波长为1064纳米，光斑直径为6毫米，脉宽为5～6纳秒。
4)保持入射的激光束方向不变，调整激光器入射能量为229mJ，设定轰击次数为1000次，即可在纯镁材料表面制备出具有一定深度的微米级的周期性环形结构。
将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，通过金相显微镜(OLYMPUSC-35A型)可以观察到样品表面的激光辐照区内形成了一种周期性结构，如图1所示。它是由一个个宽度相近的圆环形结构组成的，环形结构的宽度从内而外逐渐变窄，并且环形结构的宽度在20-100微米之间。在经激光轰击后，损伤区表面的粗糙度增加，其宽度也有利于类骨细胞的攀附与生长。
将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，使用扫描电子显微镜(日本，Hitachi，S4800型)对轰击后试样表面的元素分布进行测试。经观察实验表面主要有镁元素和氧元素，并且激光作用区的氧元素含量明显少于未作用区，如图3所示。
将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，放置在表面三维立体显微镜上，对试样表面环形结构和深度进行测试，如图4所示。
实施例2：
材料为纯钛，激光轰击次数为200，其他技术步骤和工艺条件均与实施例1相同。在这种情况下，实验观察到经脉冲激光照射后的纯钛表面具有和实施例1相似的结构，如图2所示。
将上述具有微米级周期环形结构的纯镁试样，放置在三维立体显微镜上，对试样表面环形结构和深度进行测试。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，按照下述制备步骤进行：
1)试样表面经机械打磨和抛光后，用无水乙醇清洗干净，然后在空气环境中将其固定在试样台上，固定试样台与激光器光源的距离；
2)将预制镜置于激光器光源前部，使用该预制镜对激光束进行预调制；
3)将上述材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述材料的表面，并使光斑落在上述材料的表面上；
4)保持入射的激光束方向不变，通过调整激光器入射频率、入射能量及轰击次数，在上述材料表面制备获得不同深度及宽度的微米级的周期性波纹结构。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，所述脉冲激光参数为：脉冲重复频率为不低于0.1Hz，激光波长为不低于946nm的长波，脉宽为纳秒量级，所述入射激光能量不低于10毫焦耳，所述入射激光的轰击次数不少于1次。
3.根据权利要求1所述的利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，所述材料为熔点较低的纯镁或者纯钛。
4.根据权利要求1或者3之一所述的利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，所述材料为熔点较低的纯镁金属材料时，按照下述步骤进行制备：
(1)将10×10×4mm3的纯镁材料依次用400-2000号水砂纸逐级打磨后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将其固定在三维移动平台上，固定移动平台与激光器的距离，其距离为20cm；
(2)将预制镜安装于激光器头部，使用该预制镜对激光束进行预调制，所用预制镜为Dawa-350型Nd：YAG激光器配备的一种均匀反射输出镜，其反射率为80％，反射膜半径为2mm；
(3)将上述金属材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述金属材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的整个表面，并使光斑全部落在上述金属材料的表面上，所述激光的参数为：脉冲重复频率为1Hz，激光波长为1064纳米，光斑直径为6毫米，脉宽为5～6纳秒；
(4)保持入射的激光束方向不变，调整激光器入射能量为229mJ，设定轰击次数为1000次，即可在纯镁材料表面制备出具有一定深度的微米级的周期性环形结构。
5.根据权利要求1或者3之一所述的利用脉冲激光在材料表面制备周期性波纹结构的方法，其特征在于，所述材料为熔点较低的纯钛金属材料时，按照下述步骤进行制备：
(1)将10×10×4mm3的纯钛材料依次用400-2000号水砂纸逐级打磨后，用无水乙醇超声清洗干净，然后在空气环境中将其固定在三维移动平台上，固定移动平台与激光器的距离，其距离为20cm；
(2)将预制镜安装于激光器头部，使用该预制镜对激光束进行预调制，所用预制镜为Dawa-350型Nd：YAG激光器配备的一种均匀反射输出镜，其反射率为80％，反射膜半径为2mm；
(3)将上述金属材料在垂直于入射激光束方向上移动，通过观察成像系统中光斑入射到上述金属材料表面位置的变化，调整其在平台上的位置，使光斑垂直于上述金属材料的整个表面，并使光斑全部落在上述金属材料的表面上，所述激光的参数为：脉冲重复频率为1Hz，激光波长为1064纳米，光斑直径为6毫米，脉宽为5～6纳秒；
(4)保持入射的激光束方向不变，调整激光器入射能量为229mJ，设定轰击次数为200次，即可在纯钛材料表面制备出具有一定深度的微米级的周期性环形结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210435951.2A CN102922128B (zh) | 2012-11-05 | 2012-11-05 | 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210435951.2A CN102922128B (zh) | 2012-11-05 | 2012-11-05 | 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102922128A CN102922128A (zh) | 2013-02-13 |
| CN102922128B true CN102922128B (zh) | 2015-06-24 |
Family
ID=47637130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210435951.2A Expired - Fee Related CN102922128B (zh) | 2012-11-05 | 2012-11-05 | 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102922128B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103627883B (zh) * | 2013-11-07 | 2015-04-22 | 清华大学 | 一种用皮秒脉冲激光调控金属表面吸光性能的方法 |
| CN108436253B (zh) * | 2018-02-26 | 2020-07-17 | 北京航空航天大学 | 一种sers-荧光双模式金属增强基底的制备方法 |
| CN110614441B (zh) * | 2019-10-24 | 2020-10-09 | 北京航空航天大学 | 一种金属表面流体减阻环形结构的激光精细加工方法 |
| CN112692434B (zh) * | 2021-01-08 | 2021-09-28 | 吉林大学 | 纳秒激光辐照制备非晶合金微凹、凸结构的方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005326666A (ja) * | 2004-05-14 | 2005-11-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 屈折率変調型回折光学素子とそれを含むプロジェクタ |
| US20080216926A1 (en) * | 2006-09-29 | 2008-09-11 | Chunlei Guo | Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials |
| CN101380693A (zh) * | 2008-10-14 | 2009-03-11 | 南开大学 | 一种利用飞秒激光在金属材料表面制备微/纳结构的方法 |
| CN101368256A (zh) * | 2008-10-17 | 2009-02-18 | 北京工业大学 | 一种利用超短脉冲激光改变金属表面色泽的方法 |
| CN102259826A (zh) * | 2011-06-22 | 2011-11-30 | 上海电机学院 | 飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置 |
-
2012
- 2012-11-05 CN CN201210435951.2A patent/CN102922128B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102922128A (zh) | 2013-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103071930B (zh) | 一种飞秒激光直写制备微孔阵列的系统与方法 | |
| CN105499792B (zh) | 基于双波长飞秒激光电子动态调控硅表面纳米柱制备方法 | |
| CN103658993B (zh) | 基于电子动态调控的晶硅表面飞秒激光选择性烧蚀方法 | |
| Phillips et al. | Ultrafast laser processing of materials: a review | |
| CN105108342B (zh) | 大面积二维金属光子晶体结构的飞秒激光直写制备方法 | |
| CN102922128B (zh) | 一种基于预调制激光快速制备周期性波纹结构的方法 | |
| Chou et al. | Enabling ideal selective solar absorption with 2D metallic dielectric photonic crystals | |
| Mills et al. | Embedded anisotropic microreflectors by femtosecond-laser nanomachining | |
| CN102581478A (zh) | 超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置及方法 | |
| CN103862171A (zh) | 双波长飞秒激光制备二维周期金属颗粒阵列结构的方法 | |
| CN101319347B (zh) | 飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法 | |
| CN107442942A (zh) | 激光划线扫描材料制备大面积周期性点阵式表面织构的方法 | |
| CN108213718B (zh) | 一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法 | |
| CN107790887A (zh) | 二维菱形周期微纳米金属结构的飞秒激光直写制备方法 | |
| Sarnet et al. | Femtosecond laser for black silicon and photovoltaic cells | |
| Wang et al. | Direct fabrication of cone array microstructure on monocrystalline silicon surface by femtosecond laser texturing | |
| CN104625417A (zh) | 基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法 | |
| CN101502919A (zh) | 制备具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的装置及方法 | |
| Hsiao et al. | Pulsed Nd: YAG laser treatment of monocrystalline silicon substrate | |
| CN110142510A (zh) | 用于金属纳米元件的激光焊接装置及其方法 | |
| CN113200512B (zh) | 一种小间隙金属纳米腔结构、制备方法及设备 | |
| CN102179622B (zh) | 利用激光制备微结构靶提高激光推进冲量耦合系数的方法 | |
| CN113113289A (zh) | 一种远/近场协同整形飞秒激光制备可控硅纳米线的方法 | |
| Vidhya et al. | Numerical and experimental analysis of nano second laser induced surface textures for light trapping in a-Si thin film for solar cells | |
| Singh et al. | Generation of microstructures and extreme sub-wavelength laser-induced periodic structures on the Si surface using N 2 nanosecond pulsed laser for the reduction of reflectance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150624 Termination date: 20211105 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |