CN105537782A - 电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法 - Google Patents

电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法。方法需要的装置包括：飞秒激光发生器，可调节强度的电场和六维移动平台。方法步骤包括：将氧化铝材料在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟；将氧化铝材料固定在六维移动平台上，飞秒激光发生器产生的飞秒激光经过5X物镜聚集到氧化铝材料上，飞秒激光形成的光路与平台成α角；调节飞秒激光的能量、重复频率、脉冲数等参数控制微孔的深径比，同时调节电场强度控制微孔弯曲的方向和弧度；将加工后的氧化铝材料从六维移动平台上取下，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。本发明提供的方法可实现对弯孔方向弯孔的弧度的控制。

Description

电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法
技术领域
本发明属于功能材料领域，具体而言，涉及一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法。
背景技术
飞秒激光具有超快、超强的特性，其加工是一个受到诸多因素影响的非线性/非平衡复杂过程，具有独特的加工机理。由于其超强特性，飞秒激光几乎可以加工所有材料[NaturePhotonics，2(4)：219-225(2008)]。飞秒激光加工的微孔拥有精度高、几乎无重铸、大深径比等特点，在精密加工领域备受关注并被广泛应用。目前，飞秒激光打孔已经成为热门的微孔加工方式。
飞秒激光打孔主要用于加工大深径比的直孔，同时也可加工弯孔，但其加工的弯孔是杂乱无章的。在仿生学上，壁虎脚有很大的黏附力，这样强大的黏附力是由每只壁虎脚上大约5000/mm2根极细的刚毛触角造成的[Nature405，681(2000)]。在仿生学应用上，弯的刚毛制备需要弯孔阵列模具，这对可控弯孔加工提出了需求。
飞秒激光打孔过程中，飞秒激光与材料作用时会产生大量的电子、离子等喷射物，喷射物从孔径中排出时会阻碍飞秒激光的传播，从而影响光的传播方向，进而形成弯孔。通过外加辅助电场调控产生的电子、离子等喷射物排出的方向，可以调控光传播的方向，控制弯孔的方向与弯曲弧度，从而实现可控弯孔的加工。
通过飞秒激光加工出的弯孔阵列经过处理后，可用作模板。把多孔氧化铝模板放入聚苯乙烯(PS)溶液中，使薄PS层覆盖到氧化铝孔洞的内壁，24小时后，用NaOH溶液溶解掉氧化铝模板，于是得到了阵列PS纳米管膜[Adv.Mater，17：1977(2005)]。PS纳米管膜经过后期处理后可用来制作仿生刚毛触角。
发明内容
本发明的目的在于提供一种价格低廉、性质稳定、环境友好，制备工艺简单高效的电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法。
本发明提供了一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，包括如下步骤：
一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，方法需要的装置包括：飞秒激光发生器，可调节强度的电场和六维移动平台。
进一步地，方法步骤包括：步骤1，将氧化铝材料在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟；步骤2，将氧化铝材料固定在六维移动平台上，飞秒激光发生器产生的飞秒激光经过5X物镜聚集到氧化铝材料上，飞秒激光形成的光路与平台成α角；步骤3，调节飞秒激光的能量、重复频率、脉冲数等参数控制微孔的深径比，同时调节电场强度控制微孔弯曲的方向和弧度；步骤4，将加工后的氧化铝材料从六维移动平台上取下，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。
进一步地，调节六维移动平台平移的距离和加工光路中机械开关开启和关闭的时间，可以控制相邻微孔之间的间距。
进一步地，调节飞秒激光的能量、重复频率、脉冲数等参数，可以控制加工出弯孔的孔径在20um-50um。
进一步地，可调节强度的电场由可调节电压的直流电压源与两个电压板组成，通过控制直流电压源电压进而控制电场的强度和方向，可以控制弯孔的初始弯曲方向与弯曲弧度；
一、选用氧化铝等材料进行预处理，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。
二、将清洗后的材料放置于六维移动平台上，中心波长为800nm，脉宽为50fs，重复频率为大于100Hz的飞秒激光经5X物镜聚焦到材料表面，控制飞秒激光参数、倾斜角度α、电场强度等参数，在表面加工出阵列的弯孔，加工完毕后即可得到均匀一致的弯孔阵列。
三、飞秒激光加工完毕后，将氧化铝材料在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中调节飞秒激光的单脉冲能量和加工脉冲数，可以控制加工出弯孔的孔径。具体而言，单脉冲能量在30uJ-50uJ范围内逐渐增加时，微孔的平均孔径会从20um逐步增加到40um；在某一确定能量下，随着脉冲数从300增加到1000，微通孔入口孔径几乎不会发生变化，而孔径的深度会随着脉冲数增加近似呈现线性增加，材料不同，线性增加的程度会略有差异；随着重复频率的增加弯曲的弧度也会呈现出增加的趋势。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改倾斜角度和直流电压源的电压，可以调节初始的弯曲方向和弯孔的弧度。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改加工程序，可以调节六维移动平台移动的距离和加工光路中机械开关的开启和关闭的时间，进而可以控制相邻弯孔之间的间距。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改加工程序，可以控制每一行和每一列加工的弯孔的数目，进而可以控制加工的弯孔阵列的面积。
本发明具有如下有益效果：
本发明进一步提供了一种由上述的制备方法得到的弯孔阵列，该弯孔阵列弯曲方向一致、弯曲弧度均匀，可用作仿生壁虎脚刚毛的制备模具。
本发明的制备方法的材料价格低廉、性质稳定、环境友好，制备工艺简单高效，均匀性、一致性比较好。本发明的加工方法在加工过程中可以有效控制弯孔的孔径与深度、相邻弯孔之间的间距、弯孔的方向和弧度。本发明提供的弯孔阵列可用于仿生壁虎脚刚毛的模具，所加工出的弯孔孔径由大变小，具有先天的优势。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是采用飞秒激光加工弯孔阵列的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例：在厚度为100um的氧化铝材料上利用飞秒激光制备弯孔阵列。
一、将选用的氧化铝材料进行预处理，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。
二、如附图1所示，将清洗过的氧化铝材料3放置在六自由度平移台上，中心波长为800nm，脉宽为50fs，重复频率为大于100Hz的飞秒激光1经过焦距为200mm的5X物镜2与竖直方向成α角度聚焦到材料表面上，控制高压直流电压源5电压即控制电极板4两端电压，可以在材料表面加工出阵列的弯孔6，控制飞秒激光1的单脉冲能量为300uJ，脉冲数为1000，调节相邻微孔之间的间距为200um，每一行与每一列加工的微孔个数均设为25，加工完毕后即可得到弯孔阵列。
三、将加工后的氧化铝从平移台上取下，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中调节飞秒激光的单脉冲能量和加工脉冲数，可以控制加工出弯孔的孔径。具体而言，单脉冲能量在30uJ-50uJ范围内逐渐增加时，微孔的平均孔径会从20um逐步增加到40um；在某一确定能量下，随着脉冲数从300增加到1000，微通孔入口孔径几乎不会发生变化，而孔径的深度会随着脉冲数增加近似呈现线性增加，材料不同，线性增加的程度会略有差异；随着重复频率的增加弯曲的弧度也会呈现出增加的趋势。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改倾斜角度和直流电压源的电压，可以调节初始的弯曲方向和弯孔的弧度。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改加工程序，可以调节六维移动平台移动的距离和加工光路中机械开关的开启和关闭的时间，进而可以控制相邻弯孔之间的间距。
上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改加工程序，可以控制每一行和每一列加工的弯孔的数目，进而可以控制加工的弯孔阵列的面积。
本发明也提供了一种由上述的制备方法得到的弯孔阵列，该弯孔阵列弯曲方向一致、弯曲弧度均匀，可用作仿生壁虎脚刚毛的制备模具。
上述弯孔阵列及采用材料加工的弯孔阵列及其在仿生壁虎脚刚毛中的应用，也应在本发明的保护范围内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，其特征在于，所述方法需要的装置包括：飞秒激光发生器，可调节强度的电场和六维移动平台。
2.如权利要求1所述的电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
步骤1，将氧化铝材料在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟；
步骤2，将氧化铝材料固定在所述六维移动平台上，飞秒激光发生器产生的飞秒激光经过5X物镜聚集到氧化铝材料上，所述飞秒激光形成的光路与平台成α角；
步骤3，调节所述飞秒激光的能量、重复频率、脉冲数等参数控制微孔的深径比，同时调节所述电场强度控制微孔弯曲的方向和弧度；
步骤4，将加工后的氧化铝材料从所述六维移动平台上取下，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。
3.如权利要求2所述的电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，其特征在于，调节所述六维移动平台平移的距离和加工光路中机械开关开启和关闭的时间，可以控制相邻微孔之间的间距。
4.如权利要求3所述的电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，其特征在于：调节飞秒激光的能量、重复频率、脉冲数等参数，可以控制加工出弯孔的孔径在20um-50um。
5.如权利要求4所述的电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，其特征在于：所述可调节强度的电场由可调节电压的直流电压源与两个电压板组成，通过控制所述直流电压源电压进而控制所述电场的强度和方向，可以控制弯孔的初始弯曲方向与弯曲弧度。
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