CN105537771A - 基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法 - Google Patents

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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment

Abstract

本发明涉及一种基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，属于功能性表面应用领域。确保激光能够垂直入射到水平放置的样品表面；将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；各向异性形貌的长短轴比率可以通过狭缝宽度进行连续调节；本发明采用空间光整形的方法实现材料表面各向异性微纳复合结构的加工，不仅简化了各向异性结构构建的过程，适用于各种材料，而且可以通过调节狭缝宽度实现各向异性结构长短轴比率的连续变化。进一步改变脉冲个数、能量、加工周期等参数可以实现大面积加工后各向异性浸润特性的可控变化，为各向异性浸润特性的实现提供了一种简单、可控、高效的加工方法。

Description

基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法
技术领域
本发明涉及一种基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，属于功能性表面应用领域。
背景技术
具有各向异性浸润特性的表面可以实现液滴的定向滑动，在微流体通道、生物传感器以及液滴定向传输等领域具有广泛的应用。为了实现各向异性浸润特性，需要构建出具有各向异性形貌的表面，具体加工方法包括化学气相沉积法、光刻法和干涉法等。吉林大学课题组(WangS,WangT,GeP,etal.ControllingFlowBehaviorofWaterinMicrofluidicswithaChemicallyPatternedAnisotropicWettingSurface.Langmuir,2015)采用化学气相沉积及化学刻蚀的方法得到了具有亲水/疏水条纹结构的基底，具备各向异性浸润特性，但使用这种方法的加工工艺复杂，对加工环境的要求比较高而且有可能对环境产生污染；新墨西哥大学课题组(XiaD,BrueckSRJ.Stronglyanisotropicwettingonone-dimensionalnanopatternedsurfaces.NanoLetters,2008)采用光刻干涉的方法，在硅表面加工出了可控周期的凹槽结构，可以实现各向异性浸润特性，但是这种方法只能实现阵列凹槽结构的大面积加工，不能控制加工形貌；韩国科学技术院课题组(JeonHC,JeonTY,YangSM.NanoarchitectureswithControllableAnisotropicFeaturesinStructuresandPropertiesfromSimpleandRobustHolographicLithography.ACSappliedmaterials&interfaces,2013)利用全息光刻技术，通过在加工材料正上方放置一个棱镜，调节棱镜的位置进行各向异性结构的调控，这种方法对加工光路的准直性要求比较高，参数的调节比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，该方法能够精确控制各向异性结构的长短轴比率，实现各向异性浸润特性。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，具体步骤如下：
步骤一：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的样品表面；
步骤二：将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；狭缝宽度越小，得到的材料表面各向异性形貌的长短轴比率越大，所以各向异性形貌的长短轴比率可以通过狭缝宽度进行连续调节；
步骤三：借助成像CCD和照明白光源进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，将加工样品固定在六维移动平移台上，移动六维移动平台的上下运动，使激光焦点位于样品表面；
步骤四：利用计算机控制六维移动平台的运动，配合机械开关的通断，即可在样品表面进行加工。
实现上述方法的装置包括：飞秒激光系统、半波片、偏振片、机械开关、二向色镜、分束镜、照明白光源、聚焦透镜、成像CCD、狭缝、平凸透镜、样品以及六维移动平台。其加工光路为飞秒激光系统产生的飞秒激光，经过半波片、偏振片和机械开关之后，被二向色镜反射，经过狭缝和平凸透镜后聚焦到样品表面，被加工样品固定在六维移动平台上；照明白光源经过分束镜、二向色镜、狭缝和平凸透镜后照射到样品表面，样品表面反射光经过平凸透镜、狭缝、二向色镜后，被分束镜反射通过聚焦透镜入射到成像CCD中。
有益效果
本发明的基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，采用空间光整形的方法实现材料表面各向异性微纳复合结构的加工，不仅简化了各向异性结构构建的的过程，适用于各种材料，而且可以通过调节狭缝宽度实现各向异性结构长短轴比率的连续变化。进一步改变脉冲个数、能量、加工周期等参数可以实现大面积加工后各向异性浸润特性的可控变化，为各向异性浸润特性的实现提供了一种简单、可控、高效的加工方法。
附图说明
图1是本发明专利的一个加工光路的光学原理示意图。
图2是狭缝加工部分三维示意图。
其中1—飞秒激光系统，2—半波片，3—偏振片，4—机械开关，5—二向色镜，6—分束镜，7—照明白光源，8—聚焦透镜，9—成像CCD，10—狭缝，11—平凸透镜，12—样品，13—六维移动平台。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，具体步骤如下：
步骤一：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的样品表面；
步骤二：将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；狭缝宽度越小，得到的材料表面各向异性形貌的长短轴比率越大，所以各向异性形貌的长短轴比率可以通过狭缝宽度进行连续调节；
步骤三：借助成像CCD9和照明白光源7进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，将加工样品12固定在六维移动平移台13上，移动六维移动平台13的上下运动，使激光焦点位于样品12表面；
步骤四：利用计算机控制六维移动平台13的运动，配合机械开关4的通断，即可在样品12表面进行加工。
实现上述方法的装置包括：飞秒激光系统1、半波片2、偏振片3、机械开关4、二向色镜5、分束镜6、照明白光源7、聚焦透镜8、成像CCD9、狭缝10、平凸透镜11、样品12以及六维移动平台13。
其加工光路为飞秒激光系统1产生的飞秒激光，经过半波片2、偏振片3和机械开关4之后，被二向色镜5反射，经过狭缝10和平凸透镜11后聚焦到样品12表面，被加工样品12固定在六维移动平台13上；照明白光源7经过分束镜6、二向色镜5、狭缝10和平凸透镜11后照射到样品12表面，样品表面反射光经过平凸透镜11、狭缝10、二向色镜5后，被分束镜6反射通过聚焦透镜8入射到成像CCD9中。
所述狭缝10可以手动实现狭缝宽度由0到10mm之间的连续变化；
所述半波片2和偏振片3的组合可以实现能量在0.4mW到50mW之间的能量变化；
所述平凸透镜11的倍数选择可以控制加工形貌的最小尺寸，选用的平凸透镜的焦距越小，能加工的最小尺寸越小；可供选择的平凸透镜焦距包括50mm、100mm、200mm等。
具体工作过程举例：
飞秒激光系统1产生飞秒激光脉冲(美国光谱物理公司钛蓝宝石自锁模飞秒激光器Spectra-PhysicsTsunami，其振荡级输出功率0.56W，重复频率为80MHz，放大级输出功率为4W，脉冲重复频率4Hz-1000Hz连续可调，中心波长为800nm)，通过半波片2和偏振片3的组合将能量调整为10mW，二向色镜5将入射的飞秒激光脉冲进行反射，垂直通过宽度为2mm的狭缝10(大恒光电，型号为GCM-560101M)中心和焦距为200mm的平凸透镜11，垂直入射到样品12表面(硅晶体基片，晶体方向<100>，尺寸10*10*1mm，N型不掺杂单抛)，由计算机控制六维平移台13的上下移动保证激光焦点位于加工样品12的表面；由照明白光源7发出的照明光经过分束镜6、二向色镜5、宽度为2mm的狭缝10和焦距为200mm的平凸透镜11后照射到样品12表面，样品表面反射光再经过光路返回，被分束镜6反射后通过聚焦透镜8入射到成像CCD9中，进行加工过程的观测。通过计算机程序控制六维平移台13的运动及机械快门4的通断时间，保证每个点的加工脉冲数为100，最终得到的各向异性图形的短轴为40μm左右，长轴为120μm左右。同样能量下将狭缝10的宽度调整为3mm时，得到的各向异性图形的短轴为55μm，长轴为110μm左右。如果保持狭缝宽度为2mm不变，改变半波片2和偏振片3的组合将能量调整为20mW，最终得到的各向异性图形的短轴为47μm，长轴为141μm左右。
本发明专利不限使用的加工透镜，也可适用于各种材料，可以通过不同透镜与狭缝宽度的组合在任意材料表面上得到可控的各向异性形貌微纳复合结构，在大面积加工后实现不同的各向异性浸润特性。

Claims (2)

1.基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的样品表面；
步骤二：将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；狭缝宽度越小，得到的材料表面各向异性形貌的长短轴比率越大，所以各向异性形貌的长短轴比率可以通过狭缝宽度进行连续调节；
步骤三：借助成像CCD和照明白光源进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，将加工样品固定在六维移动平移台上，移动六维移动平台的上下运动，使激光焦点位于样品表面；
步骤四：利用计算机控制六维移动平台的运动，配合机械开关的通断，即可在样品表面进行加工。
2.实现如权利要求1所述的基于电子动态调控的表面各向异性形貌加工方法的装置，其特征在于：包括：飞秒激光系统(1)、半波片(2)、偏振片(3)、机械开关(4)、二向色镜(5)、分束镜(6)、照明白光源(7)、聚焦透镜(8)、成像CCD(9)、狭缝(10)、平凸透镜(11)、样品(12)以及六维移动平台(13)；其加工光路为飞秒激光系统(1)产生的飞秒激光，经过半波片(2)、偏振片(3)和机械开关(4)之后，被二向色镜(5)反射，经过狭缝(10)和平凸透镜(11)后聚焦到样品(12)表面，被加工样品(12)固定在六维移动平台(13)上；照明白光源(7)经过分束镜(6)、二向色镜(5)、狭缝(10)和平凸透镜(11)后照射到样品(12)表面，样品表面反射光经过平凸透镜(11)、狭缝(10)、二向色镜(5)后，被分束镜(6)反射通过聚焦透镜(8)入射到成像CCD(9)中。
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