CN104625417B - 基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法 - Google Patents

基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明通过对激光偏振方向和脉冲延迟这两个重要激光参数的调控，可以精确地控制金属镍表面周期性波纹微纳结构的形貌。通过对高频周期性结构(300nm)与低频周期性结构(600nm)的比例调节以及偏振角度的改变，在较大范围内调节材料加工结构的周期和方向。这一技术可以极大地提高飞秒激光对金属镍表面处理的加工精度。对颜色标记的色域范围进行了扩展，并提高了对不同波长标记颜色的加工精度和加工效率，在信息存储方面有着广阔的应用。

Description

基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法
技术领域
本发明涉及一种基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法，特别涉及一种利用调节飞秒激光偏振方向和脉冲延迟的对金属镍表面进行可控改性的方法，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
自Birnbaum 1965年首次报道了激光在材料表面可以诱导产生周期性微纳结构以来，这一加工技术得到了广泛的发展。由于材料表面的周期性微纳结构改变了材料的光学、电子学等性质，在很多方面都有着重要的应用，如颜色标记、减小摩擦、表面增强拉曼、太阳能电池等。
与传统的长脉冲激光加工相比，飞秒激光加工具有如极高的峰值功率、较小的损伤阈值、加工热影响区小等独特优势。由于飞秒激光脉冲宽度极短抑制了热扩散过程，所以飞秒激光可以在不对亚表面层产生显著影响的情况下改变表面形貌和结构，通过控制加工参数等就可以获得独特的材料表面结构。因此通过调节不同激光参数对材料表面微纳结构的形貌进行调控，对于飞秒激光诱导材料表面周期性波纹微纳结构的控制研究具有重大意义。目前研究人员主要采用改变脉冲能量的方法调节加工结构的周期，从而进行标记颜色。这种方法虽然加工工艺较为简单，但对结构的周期改变范围较小，不能在较大的色域范围内进行颜色标记。而激光的偏振方向和脉冲延迟时间作为激光的重要参数，对材料局部电子激发密度有重要的调控作用，从而影响材料的烧蚀特性。经过调制后的表面形貌包括结构的周期和方向都得到了较大变化，为颜色标记提供更广阔的的色域范围提供了可能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有颜色标记技术色域范围较小、可控性较差的问题，提出一种利用调节飞秒激光的偏振方向和脉冲序列延迟时间，实现对镍表面周期性波纹微纳结构的可控加工的方法。
本发明的目的是通过以下技术来实现的。
基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法，具体步骤如下：
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌。
装置包括：飞秒激光器；第一半波片；P偏振片；第二半波片；脉冲整形器；第一二向色镜；第三半波片；机械开关；白光光源；分束镜；第二二向色镜；消色差双胶合平凸透镜；待加工样品；六维移动平台；平凸透镜；CCD成像系统。
连接关系：飞秒激光器产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片、P偏振片、第二半波片后调整到合适的能量通过脉冲整形器，被分为能量比为1:1的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过第一二向色镜、第三半波片后改变偏振方向，最后经物镜聚焦到待加工样品上，待加工样品固定在六维移动平台上。照明白光光源经过分束镜、第二二向色镜、消色差双胶合平凸透镜后照射到代加工样本上。后反射光经消色差双胶合平凸透镜、第二二向色镜，被分束镜反射后经平凸透镜后入射到成像CCD中。
该装置的工作过程如下：
步骤一：飞秒激光器产生飞秒激光脉冲；
步骤二：把步骤一产生的飞秒激光脉冲通过消色差双胶合平凸透镜，在待加工样品表面进行聚焦；
步骤三：利用脉冲整形器将传统飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，并通过计算机软件设定脉冲延迟时间；
步骤四：通过调节第三半波片改变激光偏振方向与扫线方向的夹角。利用计算机控制六维移动平台在材料表面进行直写加工。
有益效果：
1、本发明提出了一种基于局部瞬时电子动态调控理论的飞秒激光加工金属镍表面的方法，通过对激光偏振方向和脉冲延迟这两个重要激光参数的调控，可以精确地控制金属镍表面周期性波纹微纳结构的形貌。通过对高频周期性结构(300nm)与低频周期性结构(600nm)的比例调节以及偏振角度的改变，在较大范围内调节材料加工结构的周期和方向。这一技术可以极大地提高飞秒激光对金属镍表面处理的加工精度。对颜色标记的色域范围进行了扩展，并提高了对不同波长标记颜色的加工精度和加工效率，在信息存储方面有着广阔的应用。
2、本方法通过改变飞秒激光的偏振方向和脉冲延迟时间，调控金属镍激发瞬时局部电子密度，进而调控光子与电子之间的能量耦合，使加工结构可以实现在周期和方向上较大的改变，最终提高了对颜色标记的色域范围和加工效率。
附图说明
图1为飞秒激光加工光路图。
其中，1-飞秒激光器；2-第一半波片；3-P偏振片；4-第二半波片；5-脉冲整形器；6-第一二向色镜；7-第三半波片；8-机械开关；9-白光光源；10-分束镜；11-第二二向色镜；12-消色差双胶合平凸透镜；13-待加工样品；14-六维移动平台；15-平凸透镜；16-CCD成像系统。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍。
实施例1
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌。
激光加工系统如附图1所示。飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片2、P偏振片3、第二半波片4后调整到合适的能量通过脉冲整形器5，被分为能量比为1:1的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过第一二向色镜6、第三半波片7改变偏振方向，最后经物镜12聚焦到待加工样品13上，待加工样品13固定在六维移动平台14上。照明白光光源9经过分束镜10、第二二向色镜11、消色差双胶合平凸透镜12后照射到样本13。后反射光经消色差双胶合平凸透镜12、第二二向色镜11，被分束镜反射后经聚焦透镜15后入射到成像CCD中。其中飞秒激光器1、脉冲整形器5、机械开关8、移动平台14均由计算机控制。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：飞秒激光系统采用美国光谱物理(SpectrumPhysic)公司生产的激光器，实验过程中采用的为线偏振光，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用多晶金属镍，尺寸为1cm×1cm×1mm。
步骤一、飞秒激光器1产生脉冲宽度为中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz的飞秒激光单脉冲。
步骤二、通过计算机软件将脉冲整形器5输出子脉数冲数设定为2，即将飞秒激光单脉冲调整为能量为1:1的双脉冲脉冲序列。
步骤三、用双面胶把待加工样品13固定在载玻片上，再把载玻片放置在六维移动平台14上，并用水平测量仪测量确保平台调至水平。
步骤四、打开机械开关8，调整光路，确保激光通过消色差双胶合平凸透镜12在待加工样品13表面聚焦。通过P偏振片3和第二半波片4将加工激光脉冲能量调整为0.1μJ。通过软件将激光扫描速度设定为100μm/s。
步骤五、通过软件将脉冲延迟时间设定为0fs，通过第三半波片7将偏振方向和扫线方向的夹角设为0度，对金属镍表面进行加工。
对结果的检测：
金属镍表面形貌：周期性波纹结构方向为0度，高频周期性波纹结构(300nm)占比整个烧蚀表面的比例为43％。
颜色观测：检测光对应的波长为310nm。
实施例2
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌。
激光加工系统如附图1所示。飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片2、P偏振片3、第二半波片4后调整到合适的能量通过脉冲整形器5，被分为能量比为1:1的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过第一二向色镜6、第三半波片7改变偏振方向，最后经物镜12聚焦到待加工样品13上，待加工样品13固定在六维移动平台14上。照明白光光源9经过分束镜10、第二二向色镜11、消色差双胶合平凸透镜12后照射到待加工样品13。后反射光经消色差双胶合平凸透镜12、第二二向色镜11，被分束镜反射后经聚焦透镜15后入射到成像CCD中。其中飞秒激光器1、脉冲整形器5、机械开关8、移动平台14均由计算机控制。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：飞秒激光系统采用美国光谱物理(SpectrumPhysic)公司生产的激光器，实验过程中采用的为线偏振光，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用多晶金属镍，尺寸为1cm×1cm×1mm。
步骤一、飞秒激光器1产生脉冲宽度为中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz的飞秒激光单脉冲。
步骤二、通过计算机软件将脉冲整形器5输出子脉数冲数设定为2，即将飞秒激光单脉冲调整为能量为1:1的双脉冲脉冲序列。
步骤三、用双面胶把待加工样品13固定在载玻片上，再把载玻片放置在六维移动平台14上，并用水平测量仪测量确保平台调至水平。
步骤四、打开机械开关8，调整光路，确保激光通过消色差双胶合平凸透镜12在待加工样品13表面聚焦。通过P偏振片3和第二半波片4将加工激光脉冲能量调整为0.1μJ。通过软件将激光扫描速度设定为100μm/s。
步骤五、通过软件将脉冲延迟时间设定为0fs，通过第三半波片7将偏振方向和扫线方向的夹角设为20度，对金属镍表面进行加工。
对结果的检测：
金属镍表面形貌：周期性波纹结构方向为20度，高频周期性波纹结构(300nm)占比为15％。
颜色观测：检测光对应的波长为480nm
实施例3
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌。
激光加工系统如附图1所示。飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片2、P偏振片3、第二半波片4后调整到合适的能量通过脉冲整形器5，被分为能量比为1:1的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过第一二向色镜6、第三半波片7改变偏振方向，最后经消色差双胶合平凸透镜12聚焦到待加工样品13上，待加工样品13固定在六维移动平台14上。照明白光光源9经过分束镜10、第二二向色镜11、消色差双胶合平凸透镜12后照射到待加工样品13。后反射光经消色差双胶合平凸透镜12、第二二向色镜11，被分束镜反射后经聚焦透镜15后入射到成像CCD中。其中飞秒激光器1、脉冲整形器5、机械开关8、移动平台14均由计算机控制。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：飞秒激光系统采用美国光谱物理(SpectrumPhysic)公司生产的激光器，实验过程中采用的为线偏振光，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用多晶金属镍，尺寸为1cm×1cm×1mm。
步骤一、飞秒激光器1产生脉冲宽度为中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz的飞秒激光单脉冲。
步骤二、通过计算机软件将脉冲整形器5输出子脉数冲数设定为2，即将飞秒激光单脉冲调整为能量为1:1的双脉冲脉冲序列。
步骤三、用双面胶把待加工样品13固定在载玻片上，再把载玻片放置在六维移动平台14上，并用水平测量仪测量确保平台调至水平。
步骤四、打开机械开关8，调整光路，确保激光通过消色差双胶合平凸透镜12在待加工样品13表面聚焦。通过P偏振片3和第二半波片4将加工激光脉冲能量调整为0.1μJ。通过软件将激光扫描速度设定为100μm/s。
步骤五、通过软件将脉冲延迟时间设定为300fs，通过第三半波片7将偏振方向和扫线方向的夹角设为0度，对金属镍表面进行加工。
对结果的检测：
金属镍表面形貌：周期性波纹结构方向为0度，高频周期性波纹结构(300nm)占比为82％。
颜色观测：检测光对应的波长为220nm(最小值)。
实施例4
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌。
激光加工系统如附图1所示。飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片2、P偏振片3、第二半波片4后调整到合适的能量通过脉冲整形器5，被分为能量比为1:1的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过第一二向色镜6、第三半波片7改变偏振方向，最后经物镜12聚焦到待加工样品13上，待加工样品13固定在六维移动平台14上。照明白光光源9经过分束镜10、第二二向色镜11、消色差双胶合平凸透镜12后照射到样本13。后反射光经消色差双胶合平凸透镜12、第二二向色镜11，被分束镜反射后经聚焦透镜15后入射到成像CCD中。其中飞秒激光器1、脉冲整形器5、机械开关8、移动平台14均由计算机控制。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：飞秒激光系统采用美国光谱物理(SpectrumPhysic)公司生产的激光器，实验过程中采用的为线偏振光，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用多晶金属镍，尺寸为1cm×1cm×1mm。
步骤一、飞秒激光器1产生脉冲宽度为中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz的飞秒激光单脉冲。
步骤二、通过计算机软件将脉冲整形器5输出子脉数冲数设定为2，即将飞秒激光单脉冲调整为能量为1:1的双脉冲脉冲序列。
步骤三、用双面胶把待加工样品13固定在载玻片上，再把载玻片放置在六维移动平台14上，并用水平测量仪测量确保平台调至水平。
步骤四、打开机械开关8，调整光路，确保激光通过消色差双胶合平凸透镜12在待加工样品13表面聚焦。通过P偏振片3和第二半波片4将加工激光脉冲能量调整为0.1μJ。通过软件将激光扫描速度设定为100μm/s。
步骤五、通过软件将脉冲延迟时间设定为1.2ps，通过第三半波片7将偏振方向和扫线方向的夹角设为0度，对金属镍表面进行加工。
对结果的检测：
金属镍表面形貌：周期性波纹结构方向为0度，高频周期性波纹结构(300nm)占比为0％。
颜色观测：检测光对应的波长为380nm。
实施例5
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌。
激光加工系统如附图1所示。飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片2、P偏振片3、第二半波片4后调整到合适的能量通过脉冲整形器5，被分为能量比为1:1的两束子脉冲。整形的激光脉冲经过第一二向色镜6、第三半波片7改变偏振方向，最后经物镜12聚焦到待加工样品13上，待加工样品13固定在六维移动平台14上。照明白光光源9经过分束镜10、第二二向色镜11、消色差双胶合平凸透镜12后照射到样本13。后反射光经消色差双胶合平凸透镜12、第二二向色镜11，被分束镜反射后经聚焦透镜15后入射到成像CCD中。其中飞秒激光器1、脉冲整形器5、机械开关8、移动平台14均由计算机控制。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：飞秒激光系统采用美国光谱物理(SpectrumPhysic)公司生产的激光器，实验过程中采用的为线偏振光，中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品选用多晶金属镍，尺寸为1cm×1cm×1mm。
步骤一、飞秒激光器1产生脉冲宽度为中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz的飞秒激光单脉冲。
步骤二、通过计算机软件将脉冲整形器5输出子脉数冲数设定为2，即将飞秒激光单脉冲调整为能量为1:1的双脉冲脉冲序列。
步骤三、用双面胶把待加工样品13固定在载玻片上，再把载玻片放置在六维移动平台14上，并用水平测量仪测量确保平台调至水平。
步骤四、打开机械开关8，调整光路，确保激光通过消色差双胶合平凸透镜12在待加工样品13表面聚焦。通过P偏振片3和第二半波片4将加工激光脉冲能量调整为0.1μJ。通过软件将激光扫描速度设定为100μm/s。
步骤五、通过软件将脉冲延迟时间设定为2.5ps，通过第三半波片7将偏振方向和扫线方向的夹角设为45度，对金属镍表面进行加工。
对结果的检测：
金属镍表面形貌：周期性波纹结构方向为45度，高频周期性波纹结构(300nm)占比为0％。
颜色观测：检测光对应的波长为890nm(最大值)。

Claims (2)

1.基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、在延迟时间为0fs的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤二、在0-2.5ps范围内，以100fs为间隔逐渐调节两个子脉冲的延迟时间；同时，在延迟时间确定的情况下，从0-45度调节偏振角度与扫线方向的夹角；分别对金属镍表面进行加工；
步骤三、将步骤一与步骤二所得的加工结果进行颜色观测，制备相对应的工艺数据表格，确定每种颜色光的波长对应的金属镍表面形貌；
实现上述方法的装置，包括：飞秒激光器(1)；第一半波片(2)；P偏振片(3)；第二半波片(4)；脉冲整形器(5)；第一二向色镜(6)；第三半波片(7)；机械开关(8)；白光光源(9)；分束镜(10)；第二二向色镜(11)；消色差双胶合平凸透镜(12)；待加工样品(13)；六维移动平台(14)；平凸透镜(15)；CCD成像系统(16)；飞秒激光器(1)产生飞秒激光脉冲经过经过第一半波片(2)、P偏振片(3)、第二半波片(4)后调整到合适的能量通过脉冲整形器(5)，被分为能量比为1:1的两束子脉冲；整形的激光脉冲经过第一二向色镜(6)、第三半波片(7)后改变偏振方向，最后经消色差双胶合平凸透镜(12)聚焦到待加工样品(13)上，待加工样品(13)固定在六维移动平台(14)上；照明白光光源(9)经过分束镜(10)、第二二向色镜(11)、消色差双胶合平凸透镜(12)后照射到代加工样品(13)上；后反射光经消色差双胶合平凸透镜(12)、第二二向色镜(11)，被分束镜反射后经平凸透镜(15)后入射到CCD成像系统(16)中。
2.如权利要求1所述的基于电子动态调控的飞秒激光控制镍表面形貌的方法，其特征在于：所述装置的工作过程如下：
步骤一：飞秒激光器(1)产生飞秒激光脉冲；
步骤二：把步骤一产生的飞秒激光脉冲通过消色差双胶合平凸透镜(12)，在待加工样品(13)表面进行聚焦；
步骤三：利用脉冲整形器(5)将传统飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，并通过计算机软件设定脉冲延迟时间；
步骤四：通过调节第三半波片(7)改变激光偏振方向与扫线方向的夹角；利用计算机控制六维移动平台(14)在材料表面进行直写加工。
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