CN103433618B - 一种控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法。实现本发明利用脉宽15fs到5ps的超短脉冲激光所诱导的等离子体细丝直接辐照金属表面，通过控制超短脉冲激光参数及其丝在金属表面的扫描速度和扫描间距实现等离子体细丝对金属表面诱导微纳米结构尺寸和分布的控制：通过改变激光诱导等离子细丝的入射角度改变微纳米结构的朝向；通过改变激光的偏振态，实现对微纳米结构形状的控制。本专利提供了一种可用于优化设计太阳能吸收体等器件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及激光微加工和金属表面微纳米结构的制备领域，特别涉及超短脉冲激光处理金属表面制备微纳米结构的调控方法。
背景技术
金属表面改性的技术目前并不是很多，随着微加工技术的发展及其理论逐渐成熟，越来越多的科学工作者将目光投向金属表面微纳米结构的制备与研究，经过不同手段与方法在金属表面制备出的微纳米结构在不同领域，如太阳能吸收、高效热辐射源、热辐射转换和生物探测器等，都有着潜在的应用价值。
利用电子束或等离子体刻蚀可以在金属表面制备微纳米结构，但是电子束或等离子体刻蚀加工条件苛刻，加工成本高。利用超短脉冲激光同样可以直接制备金属表面微纳米功能结构，目前已报道的利用超短脉冲激光诱导制备金属表面微纳米功能结构的专利文献有：CNIO1531335A将飞秒激光经物镜或透镜聚焦，并使之作用于金属靶材上，利用飞秒激光结合二维精密位移台移动，产生微、纳米周期性微结构，是一种制备超疏水性的功能微纳米结构的方法。CNIO1380693A提供了一种在空气环境中，使用10X显微物镜将入射的飞秒激光脉冲垂直聚焦在金属材料表面诱导产生微纳结构，这些微纳米结构可在宽光谱范围提高和增强材料热辐射效率。
激光在金属表面可由激光诱导产生的等离子体波共振效应制备一种亚微米光栅结构，这样的亚微米光栅结构的尺寸依赖于入射激光的波长，由于激光波长的调节比较困难，在结构优化方面不具备良好的可控性。利用飞秒激光直接聚焦加工金属会带来金属表面的质量迁移，大量喷溅物会使短聚焦透镜在工业加工中应用困难，也间接限制了对聚焦光斑尺寸的优化，进一步限制了对光栅周期的控制。而且激光加工金属表面微纳结构这一技术必须保证激光聚焦光斑的尺寸，对聚焦系统的精度要求很高，也增加了加工设备的成本。
金属表面制备微纳米结构的方法有很多，但由于微纳米量级结构的产生机理十分复杂，这样对于表面微纳米结构形貌特征的控制就变得非常困难，那么利用合理的手段使得这种微纳米量级结构在制备上具有良好的操控性就变得尤为重要。
发明内容
本发明针对以往在金属表面制备微纳米结构可控性上的不足，提出了的一种控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，该方法利用脉宽15fs到5ps的超短脉冲激光所诱导的等离子体细丝直接辐照金属表面，通过控制飞秒激光参数及其等离子体细丝在金属表面的扫描速度、扫描间距和丝入射角度，实现对微纳米复合结构大小、分布和朝向的控制；通过改变激光偏振态，实现等离子体细丝对金属表面诱导微纳米复合结构形状的控制。
本发明采取的技术方案：
利用改变诱导成丝的激光参数和扫描参数来控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，其具体步骤如下：
（1）在超短脉冲激光经透镜聚焦或自由传输在空气中形成一段等离子体细丝。
（2）利用波片实现对激光偏振态的控制，通过改变平移台固定角度或激光入射角度的方式来改变激光诱导等离子体细丝与样品表面的相对角度，通过电脑程序控制扫描间距和扫描速度。
（3）采用控制光或样品进行相对运动的方式实现等离子体细丝在样品表面的扫描加工。
所述的超短脉冲激光成丝控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法是利用超短脉冲聚焦诱导等离子体细丝在金属表面进行辐照加工。
所述的对激光偏振态的控制方法是利用1/4波片实现圆偏振态、1/2波片实现偏振方向的控制作用。
所述的改变激光诱导等离子体细丝入射角度通过改变平移台的固定角度来改变激光诱导等离子体细丝的入射角度，角度范围15°-90°，进而可改变微纳米结构的表面朝向。
所述的通过电脑程序控制平移台的扫描间距和扫描速度，间距范围20μm-1mm和速度200μm/s-10cm/s，进而可控制微纳米结构的分布密度。
所述的金属材料为金、银、铁、钼、铝、镍、钛、镁、不锈钢以及它们的合金材料或者主要成分为前述材料的复合金属材料。
所述的加工金属厚度为100μm -0.5m。
本发明的优点在于：
（1）本发明利用超短脉冲激光诱导等离子体细丝直接辐照金属表面，是一种物理现象，几乎可以应用在各种金属材料上，而且制作流程简单，可应用的金属种类范围非常广，生产效率高，由于加工深度大，所以不存在对光学透镜的污染，而且也不需要精确的聚焦定位系统。
（2）本发明利用超短脉冲成丝有角度辐照金属表面，可以有效控制微纳米柱型结构的表面朝向，可以在大的角度范围内对微纳米结构表面朝向进行精确控制，而且这种柱形微结构可以在各种粗糙或者非平面金属表面上制备。
（3）本发明利用不同的激光偏振态控制产生等离子体细丝的偏振形式，实现对金属表面微纳米结构形状上的控制。
（4）本发明可以通过控制平移台移动速度和移动间距来控制微纳米结构的分布和密度，该方法的控制范围广。
附图说明
图1 超短脉冲激光成丝改变金属表面光学特性的方法示意图。
图2 丝扫描间距与微柱结构平均距离的函数关系曲线。
图3 丝扫描间距与微柱尺寸的函数关系曲线。
图4 等离子丝与样品表面夹角为90°时，表面微观形貌照片（拍摄角度为45°）。
图5 等离子丝与样品表面夹角为75°时，表面微观形貌照片（拍摄角度为45°）。
图6 等离子丝与样品表面夹角为60°时，表面微观形貌照片（拍摄角度为45°）。
图7 等离子丝与样品表面夹角为45°时，表面微观形貌照片（拍摄角度为45°）。
图8 等离子丝与样品表面夹角为90°时，线偏振光作用于样品后表面微观形貌照片（俯视图），偏振方向由白色箭头表示。
图9 等离子丝与样品表面夹角为90°时，圆偏振光作用于样品后表面微观形貌照片（俯视图），偏振方向由白色箭头表示。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明：
选用的金属材料应该先通过清洁方式获得洁净的表面，可以分别采取乙醇或丙酮等试剂擦拭表面。如图1所示，清洁后的样品7置于平移台6上，超短脉冲激光器1发出的脉冲激光依次经过光强调节器2、空间光强整形器3、光偏振调节器4、光学聚焦系统5后在空气中产生等离子体丝，丝直接作用在样品7上。其中光强调节器可由中性衰减片或半波片和格兰棱镜组合构成；偏振调节器可由半波片或1/4波片组成；光学聚焦系统可由透镜聚焦或者振镜与场镜聚焦构成。
实施例1
本实施例中的金属样品为铝，将铝样品置于飞秒脉冲激光所诱导的细丝下，本实例中选用的飞秒脉冲激光中心波长为800nm，重复频率1kHz，脉冲宽度为50fs，水平线偏振，单脉冲能量为3.5mJ的飞秒激光通过焦距为1m的聚焦透镜形成长度约为11厘米的等离子体细丝。样品固定于三维平移台，平移台固定方向垂直于等离子细丝，使等离子细丝可以垂直辐照与金属样品表面，样品加工位置距聚焦透镜距离为95cm，通过移动三维平移台，通过扫描速度5mm/s，改变扫描间距为0.02mm-0.08mm，从而控制激光表面微纳米结构的分布密度和尺寸，形貌变化趋势如图2-3所示。
实施例2
本实施例中应用的样品、激光参数、和成丝参数与实例1相同，样品固定于三维平移台，平移台固定方向使得样品表面与等离子细丝成角度放置（90°，75°，60°，45°），使等离子细丝可以倾斜辐照与金属样品表面，样品加工位置距聚焦透镜距离为95cm，平移台扫描速度4mm/s，扫描间距0.04mm。通过等离子体细丝与金属铝表面夹角控制金属铝表面微纳米结构的俯仰指向，结果如图4-7所示。
实施例3
本实施例中应用的样品、激光参数、和成丝参数与实例1相同，通过圆偏振和不同偏振方向的线偏振激光诱导的等离子体细丝控制铝表面微纳米结构的形态，结果如图8-9所示。
Claims (5)
1.一种利用改变诱导成丝的激光参数和扫描参数来控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：
(1)超短脉冲激光经透镜聚焦或自由传输在空气中形成一段等离子体细丝；
(2)利用波片实现对激光偏振态的控制，具体为利用1/4波片、1/2波片对激光偏振态进行调节，进而改变微纳米结构的形状，通过改变平移台固定角度或激光入射角度的方式来改变激光诱导等离子体细丝与样品表面的相对角度，通过电脑程序控制扫描间距和扫描速度；
(3)采用控制光或样品进行相对运动的方式实现等离子体细丝在样品表面的辐照扫描加工，从而实现对表面微纳米结构尺寸和分布的控制。
2.根据权利要求1所述的一种利用改变诱导成丝的激光参数和扫描参数来控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，其特征在于通过改变样品与入射激光相对角度来改变激光诱导等离子体细丝的入射角度，角度范围15°-90°，进而实现对微纳米结构表面朝向的控制。
3.根据权利要求1所述的一种利用改变诱导成丝的激光参数和扫描参数来控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，其特征在于通过电脑程序控制平移台的扫描间距和扫描速度，间距范围20μm-1mm，速度范围200μm/s-10cm/s，进而控制单位面积激光辐照量，从而控制微纳米结构的分布密度。
4.根据权利要求1所述的一种利用改变诱导成丝的激光参数和扫描参数来控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，其特征在于金属材料为金、银、铁、钼、铝、镍、钛、镁、不锈钢以及它们的合金材料或者主要成分为前述材料的复合金属材料。
5.根据权利要求1所述的一种利用改变诱导成丝的激光参数和扫描参数来控制金属表面微纳米结构尺寸和分布的方法，其特征在于超短脉冲激光诱导等离子体细丝加工金属厚度为100μm-0.5m。
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