CN106842588B - 激光诱导向前转移制备结构色薄膜的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光诱导向前转移实现结构色薄膜制备的装置和方法，属于激光应用及结构色制备技术领域，该系统包括：激光光源、光路调节系统和精密移动系统，激光光源与所述光路调节系统相连接，精密移动系统位于所述光路调节系统的下面；光路调节系统包括准直扩束透镜组，与之相连接的扫描振镜系统，扫描振镜系统由两个互相垂直的平面反射镜、电机以及振镜控制器组成，平面反射镜连接振镜控制电机，振镜控制电机连接振镜控制器，扫描振镜系统连接f‑θ透镜；精密移动系统包括精密移动(Z轴方向)、运动控制器和计算机，计算机通过运动控制器和精密移动相连接，精密移动用于放置初始基片和接收基片。本发明可实现快速、高精度、大幅面的结构色，有利于大大降低制造成本和制造周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构色薄膜制备的装置和方法，具体涉及一种激光诱导的向前转移实现结构色薄膜制备的装置和方法，属于激光应用及结构色制备技术领域。
背景技术
自然界中的颜色大体可以分为两类，一类是色素色，另一类是结构色。前者为在入射光的作用下，分子中发色团中的电子从基态跃迁到激发态而引起的颜色，色素生色源于色素分子选择性的吸收及反射特定频率的光从而显现出不同的颜色。而结构色具有高亮度、高饱和度、永不褪色、虹彩现象、偏振效应等特点与优势。
目前来讲，生物界中的结构色主要是由光与纳米周期性结构相互作用产生的，该相互作用包括光的干涉(薄膜干涉和多层膜干涉)、衍射、散射、光子晶体结构生色和无序结构所产生的颜色。
目前，制备结构色材料的方法主要包括精密机械加工法、全息干涉法、自组装法等，其中精密机械加工法通常由精密的宏观加工手段实现，即从宏观材料出发，利用物理手段将材料的尺寸减小到所需要微米尺度，一般包括机械钻孔法、电子束刻烛法、光刻烛法等。通过精密加工的手段制备的光子晶体稳定而可靠，可以实现工业化生产，但是所需设备比较昂贵，制备过程繁杂耗时。自组装法包括毛细管力自组装、垂直提拉法、重力沉降组装法、静电组装法、外加电场或磁场法等，这些具有操作简单和速度快的优点，可以获得大面积的周期性结构，适合微球类结构自组装光子晶体，但缺点是很难避免缺陷，样品图案种类少，真实度差。
因此，开发一种无掩膜、简单、低成本的结构色薄膜制备的装置和方法变得十分重要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种无掩膜、简单、低成本的结构色薄膜制备的装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于，该装置包括：激光光源、光路调节系统和精密移动系统，所述激光光源与所述光路调节系统相连接，所述精密移动系统位于所述光路调节系统的下面；所述光路调节系统包括准直扩束透镜组，与之相连接的扫描振镜系统，所述扫描振镜系统由两个互相垂直的平面反射镜、振镜控制电机以及振镜控制器组成，平面反射镜与振镜控制电机相连接，振镜控制电机与振镜控制器相连接，所述扫描振镜系统连接f-θ透镜；所述精密移动系统包括精密移动平台(Z轴方向)、运动控制器和计算机，所述计算机通过运动控制器和精密移动平台相连接，所述精密移动平台用于放置初始基片和接收基片。
优选地，所述激光光源为脉冲激光器。
优选地，所述激光光源的输出波长355nm，脉冲宽度1～10ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ，单纵模运转。
优选地，所述光路调节系统中，准直扩束透镜组由两个平凸透镜组成，对激光光源发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的3倍，该准直扩束透镜组与激光光源直接固连在一起。
优选地，所述平面反射镜为相互垂直且对于355nm激光全反射的平面镜，用于围绕X轴和Y轴摆动。
优选地，所述振镜控制电机采用交流伺服电机，用于控制平面反射镜的摆动。
优选地，所述振镜控制器通过振镜控制电机控制平面反射镜的摆动，实现激光光束在XY平面内按照预设路径移动。
优选地，所述f-θ透镜镀有355nm增透膜，扫描角±15°，有效焦距300mm。
优选地，所述精密移动平台在Z轴方向上的行程范围为100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。
优选地，所述运动控制器采用交流伺服电机，在Z轴方向上控制精密移动平台的精密移动，使其聚焦于初始基片与功能薄层的界面。
本发明的另一目的是提供一种利用激光诱导向前转移技术实现结构色薄膜制备的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种激光诱导向前转移技术实现结构色薄膜制备的方法，包括如下步骤：
(1)采用旋涂、刮涂或印刷的方法在作为透明的初始基片的载玻片上制备一层功能薄层，然后将垫片置于镀有功能薄层的初始基片和接收基片之间，形成一个微小间距，该功能薄层面朝下，再将其放置于精密移动平台上；
(2)激光光源发出的光经准直扩束透镜组入射到平面反射镜(沿X轴摆动)后，发生反射，反射光入射到另一个平面反射镜(沿Y轴摆动)，再次发生反射，反射光经f-θ透镜后投射到(1)中制备好的初始基片上；
(3)上述光束聚焦于步骤(1)中制备好的初始基片上，焦点位于所述初始基片与功能薄层之间的位置，激光能量透过透明的初始基片，被功能薄层吸收，使初始基片与功能薄层的界面加热，当入射激光能量超过阈值时，功能薄层中与初始基片接触部分的温度升高，达到功能薄层材料的沸点，汽化形成的蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片并喷向接收基片，功能薄层上的材料被局部的转移到接收基片上，此过程中，根据待扫描图形的轮廓要求，在计算机指令的控制下，向XY轴振镜控制器发出指令信号，XY轴振镜控制电机分别沿X轴和Y轴做出快速、精确偏转，从而控制两个平面反射镜的反射角度，使激光束发生偏转并且沿X-Y平面进行快速扫描，而精密移动系统通过计算机和运动控制器控制精密移动平台在Z轴方向上精密移动，使激光光斑聚焦于初始基片与功能薄层的界面，最终实现功能薄层以特定的图案化进行转移，使该图案化的薄层在不同观察角度下带有绚丽多彩的颜色。
优选地，所述步骤(1)中所述微小间距的距离为1-100μm。
优选地，所述步骤(1)中所述功能薄层为纳米涂层，其厚度为50nm-10μm。
优选地，所述步骤(1)中所述功能薄层的材料为金系金属薄膜、银系金属薄膜、铜系金属薄膜。
优选地，所述步骤(2)中所述激光光源输出的波长为355nm，脉冲宽度1～10ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ，单纵模输出。
优选地，所述步骤(2)中所述准直扩束透镜组对光源发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的3倍。
优选地，所述步骤(2)中所述平面反射镜为相互垂直且对于355nm激光全反射的平面镜，用于围绕X轴和Y轴摆动。
优选地，所述步骤(2)中所述f-θ透镜镀有355nm增透膜，扫描角±15°，有效焦距300mm。
优选地，所述步骤(3)中所述振镜控制电机采用交流伺服电机，用于控制平面反射镜的摆动，实现激光光束在XY平面内按照预设路径移动。
优选地，所述步骤(3)中所述精密移动平台在Z轴方向上的行程范围为100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。
优选地，所述步骤(3)中所述运动控制器采用交流伺服电机，在Z轴方向上控制精密移动平台的精密移动，使其聚焦于初始基片与功能薄层的界面。
本发明提供的这种激光诱导向前转移实现结构色薄膜制备的装置和方法，通过高能量的激光将初始基片上的功能薄层按预设路径转移到邻近的接收基片上，实现精确控制功能薄层的局部转移和沉积，得到特定的预设图案，使该图案化的薄层带有绚丽多彩的颜色。和现有技术相比，本发明可实现快速、高精度、大幅面的结构色薄膜制备，有利于大大降低制造成本和制造周期；本发明具有适应性强，加工精度高，成本低廉，绿色环保，适用范围广等诸多优点。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明实施例中激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中采用射频磁控溅射方法制备的银纳米薄膜的显微镜照片。
主要附图标记：
1 激光器 2 准直扩束透镜组
3-1 平面反射镜 3-2 平面反射镜
4 电机(X方向) 5 电机(Y方向)
6 振镜控制器 7 f-θ透镜
8 初始基片 9 功能纳米薄层
10 垫片 11 接收基片
12 精密移动平台 13 运动控制器
14 控制系统计算机
具体实施方式
实施例1
如图1所示，是本实施例的激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置的结构示意图，其中，1为激光器，2为准直扩束透镜组，3-1为平面反射镜(X方向)，3-2为平面反射镜(Y方向)，4为电机(X方向)，5为电机(Y方向)，6为振镜控制器，7为f-θ透镜，8为初始基片，9为功能纳米薄层，10为垫片，11为接收基片，12为精密移动平台，13为运动控制器，14为控制系统计算机，其中，准直扩束透镜组2与脉冲激光器1固连在一起，准直扩束透镜组2、平面反射镜3、电机(X方向)4、电机(Y方向)5、振镜控制器6和f-θ透镜7组成光路调节系统，根据待扫描图形的轮廓要求，在控制系统计算机14指令的控制下，向(XY轴)振镜控制器6发出指令信号，电机(X方向)4和电机(Y方向)5分别沿X轴和Y轴做出快速、精确偏转，从而控制平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2的反射角度，使激光束发生偏转，经f-θ透镜7聚焦后沿X-Y平面进行快速扫描；精密移动平台12、运动控制器13和控制系统计算机14组成精密移动系统，控制系统计算机14通过运动控制器13与精密移动平台12相连接；采用旋涂、刮涂或印刷的方法在作为初始基片8的载玻片上制备一层功能纳米薄层9，然后将垫片10置于镀有功能纳米薄层9面的初始基片8和接收基片11之间，形成一个微小间距100μm(垫片厚度)，该功能纳米薄层9面朝下，再将其放置于精密移动平台12上，精密移动平台12通过运动控制器13和控制系统计算机14连接。
功能纳米薄层9为采用射频磁控溅射方法制备的纳米银薄膜，平均粒径30nm，其厚度为10nm，50nm，100nm，200nm，300nm，或500nm。
激光器1的输出波长355nm，脉冲宽度1～10ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ，单纵模输出。
准直扩束透镜组2由两个平凸透镜组成，对激光器1发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的3倍，该准直扩束透镜组2与激光器1直接固连在一起；
两个平面反射镜：平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2，相互垂直，对于355nm激光全反射，可分别围绕X轴和Y轴摆动。
电机(X方向)4和电机(Y方向)5采用交流伺服电机，分别用于控制平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2的摆动。
振镜控制器6通过振镜控制电机(即电机(X方向)4和电机(Y方向))控制平面反射镜的摆动，实现激光光束在XY平面内按照预设路径移动。
f-θ透镜7镀有355nm增透膜，扫描角±15°，有效焦距300mm。
精密移动平台12在Z轴方向上的行程范围为100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm。
运动控制器13采用交流伺服电机，在Z轴方向上控制精密移动平台12的精密移动，使其聚焦于初始基片8与功能纳米薄层9之间的界面。
如图2所示，为本发明中采用射频磁控溅射方法制备的银纳米薄膜的显微镜照片，显微镜采用型号为Hitachi SU8020的扫描电子显微镜，放大1.5万倍，右下方标尺为300nm。利用磁控溅射方法，以高纯银(99.99％)为靶材，靶材与基材之间的距离为70mm，先将反应室抽至本底真空2×10-3Pa，然后充入溅射气体高纯氩气(99.99％)至一定压强，气流速度为30mL/min，在初始基片8上沉积厚度为100nm的薄膜，平均粒径30nm。
本实施例的激光诱导向前转移实现结构色薄膜制备的方法的具体步骤包括：
步骤1：激光器1发出的光束经准直扩束透镜组2之后变成能量均匀的平行光，然后首先投射到平面反射镜(X方向)3-1的反射面上，经过平面反射镜(X方向)3-1反射之后，再投射到平面反射镜(Y方向)3-2的反射面，最后经过平面反射镜(Y方向)3-2的反射后，投射到f-θ透镜7聚焦，精密移动平台12通过控制系统计算机14和运动控制器13在Z轴方向上精密移动，使激光光斑聚焦于初始基片8与功能纳米薄层9的界面，这样激光束投射到工作平面上后，在不同入射角方向上可以获得平整焦平面；
步骤2：聚焦后的激光束投射到初始基片8上，焦点位于功能纳米薄层9的位置，激光能量被功能纳米薄层9吸收，使初始基片8与功能纳米薄层9上的材料界面加热，当入射激光能量超过阈值时，汽化形成的蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片8并喷向接收基片11，功能纳米薄层9的材料被局部的转移到接收基片11上；
步骤3：根据待扫描图形的轮廓要求，在控制系统计算机14指令的控制下，向(XY轴)振镜控制器6发出指令信号，电机(X方向)4和电机(Y方向)5分别沿X轴和Y轴做出快速、精确偏转，从而控制两个平面反射镜：平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2，的反射角度，使激光束发生偏转，经f-θ透镜聚焦后沿X-Y平面进行快速扫描，形成不同观察角度下具有特殊颜色效果的图案转移。
其中，激光器1的输出波长355nm，脉冲宽度1～10ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ；准直扩束透镜组2由两个平凸透镜组成，对激光器1发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的3倍，该准直扩束透镜组2与激光器1直接固连在一起；平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2相互垂直，对于355nm激光全反射，可分别围绕X轴和Y轴摆动；电机(X方向)4和电机(Y方向)5采用交流伺服电机，用于控制平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2的摆动；振镜控制器6通过振镜控制电机(电机(X方向)4和电机(Y方向)5)控制平面反射镜(X方向)3-1和平面反射镜(Y方向)3-2的摆动，实现激光光束在XY平面内按照预设路径移动；f-θ透镜7镀有355nm增透膜，扫描角±15°，有效焦距300mm；精密移动平台12在Z轴方向上的行程范围为100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm；运动控制器13采用交流伺服电机，在Z轴方向上控制精密移动平台12的精密移动，使其聚焦于初始基片2与功能纳米薄层9的界面。
以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，但并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本报发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于，该装置包括：激光光源、光路调节系统和精密移动系统，所述激光光源与所述光路调节系统相连接，所述精密移动系统位于所述光路调节系统的下面；所述光路调节系统包括准直扩束透镜组，与之相连接的扫描振镜系统，所述扫描振镜系统由两个互相垂直的平面反射镜、振镜控制电机以及振镜控制器组成，平面反射镜与振镜控制电机相连接，振镜控制电机与振镜控制器相连接，所述扫描振镜系统连接f-θ透镜；所述精密移动系统包括精密移动平台、运动控制器和计算机，所述计算机通过运动控制器和精密移动平台相连接，所述精密移动平台用于放置初始基片和接收基片。
2.根据权利要求1所述的激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于：所述激光器的输出波长355nm，脉冲宽度1～10ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ。
3.根据权利要求2所述的激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于：所述光路调节系统中，准直扩束透镜组由两个平凸透镜组成，对激光器发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的3倍，该准直扩束透镜组与激光器直接固连在一起。
4.根据权利要求3所述的激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于：所述振镜扫描系统中，两个平面反射镜相互垂直，对于355nm激光全反射，可分别围绕X轴和Y轴摆动；所述振镜控制电机采用交流伺服电机，用于控制平面镜的摆动；所述振镜控制器通过振镜控制电机控制平面镜的摆动，实现激光光束在XY平面内按照预设路径移动。
5.根据权利要求1所述的激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于：所述f-θ透镜7镀有355nm增透膜，扫描角±15°，有效焦距300mm。
6.根据权利要求1所述的激光诱导向前转移技术制备结构色薄膜的装置，其特征在于：所述精密移动系统中，所述精密移动平台在Z轴方向上的行程范围为100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm；所述运动控制器采用交流伺服电机，在Z轴方向上控制精密移动平台的精密移动，使其聚焦于初始基片与功能薄层的界面；所述初始基片和接收基片之间设有垫片。
7.一种激光诱导向前转移技术实现结构色薄膜制备的方法，包括如下步骤：
(1)采用旋涂、刮涂或印刷的方法在作为透明的初始基片的载玻片上制备一层功能薄层，然后将垫片置于镀有功能薄层的初始基片和接收基片之间，形成一个微小间距，该功能薄层面朝下，再将其放置于精密移动平台上；
(2)激光光源发出的光经准直扩束透镜组入射到沿X轴的平面反射镜后，发生反射，反射光入射到沿Y轴的平面反射镜，再次发生反射，反射光经f-θ透镜后投射到(1)中制备好的初始基片上；
(3)步骤(2)中的再次发生反射的反射光聚焦于步骤(1)中制备好的初始基片上，焦点位于所述初始基片与功能薄层之间的位置，激光能量透过透明的初始基片，被功能薄层吸收，使初始基片与功能薄层的界面加热，当入射激光能量超过阈值时，功能薄层中与初始基片接触部分的温度升高，达到功能薄层材料的沸点，汽化形成的蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离初始基片并喷向接收基片，功能薄层上的材料被局部的转移到接收基片上，此过程中，根据待扫描图形的轮廓要求，在计算机指令的控制下，向XY轴振镜控制器发出指令信号，XY轴振镜控制电机分别沿X轴和Y轴做出快速、精确偏转，从而控制分别沿X轴和Y轴的平面反射镜的反射角度，使激光束发生偏转并且沿X-Y平面进行快速扫描，而精密移动系统通过计算机和运动控制器控制精密移动平台在Z轴方向上精密移动，使激光光斑聚焦于初始基片与功能薄层的界面，最终实现功能薄层以特定的图案化进行转移，使该图案化的薄层在不同观察角度下带有绚丽多彩的颜色。
8.根据权利要求7所述的激光诱导向前转移技术实现结构色薄膜制备的方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述微小间距的距离为1-100μm；所述步骤(1)中所述功能薄层为纳米涂层，其厚度为50nm-10μm；所述步骤(1)中所述功能薄层的材料为金系金属薄膜、银系金属薄膜或铜系金属薄膜。
9.根据权利要求7所述的激光诱导向前转移技术实现结构色薄膜制备的方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述激光光源输出的波长为355nm，脉冲宽度1～10ns，重复频率1～10kHz，最大脉冲能量>1mJ；所述步骤(2)中所述准直扩束透镜组对光源发射的激光进行准直扩束后，激光光斑直径变为原来的3倍；所述步骤(2)中所述平面反射镜为相互垂直且对于355nm激光全反射的平面镜，用于围绕X轴和Y轴摆动；所述步骤(2)中所述f-θ透镜镀有355nm增透膜，扫描角±15°，有效焦距300mm。
10.根据权利要求7所述的激光诱导向前转移技术实现结构色薄膜制备的方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述XY轴振镜控制电机采用交流伺服电机，用于控制平面反射镜的摆动，实现激光光束在XY平面内按照预设路径移动；所述步骤(3)中所述精密移动平台在Z轴方向上的行程范围为100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范围内直线度小于10μm，平直度小于15μm；所述步骤(3)中所述运动控制器采用交流伺服电机，在Z轴方向上控制精密移动平台的精密移动，使其聚焦于初始基片与功能薄层的界面。
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