CN110064846B - 一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，利用等离子体扩散空间变化辅助飞秒激光双脉冲序列加工深度变化的特性，加工可使液体单向流动的光栅状表面，属于飞秒激光应用技术领域。本发明利用等离子体扩散空间变化辅助飞秒激光双脉冲序列加工深度变化的特性，加工可使液体单向流动的光栅状梯度表面。首先利用飞秒激光加工系统，采取飞秒激光双脉冲直写方式，在覆盖了倾斜透明材料的基底表面直接加工光栅结构。对比现有技术，本发明方法制备过程无需真空装置，无需改变激光能量参数，可快速加工出所需液体各向异性流动图案化表面，并具有较高的液体流动速度。

Description

一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法
技术领域
本发明涉及一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，利用等离子体扩散空间变化辅助飞秒激光双脉冲序列加工深度变化的特性，加工可使液体单向流动的光栅状表面，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
液体单向流动表面是一种在无动力的环境中可以在固体表面驱使液体沿着单一方向进行运动的特殊表面，它由表面张力和拉普拉斯力进行自驱动，是实现无动力环境下液体流动和输送的重要组成部分。液体在固体表面的定向自发输运在微流体技术、集水技术等各种应用中都有很大的前景，传统的单向液体扩散需要外部能量的输入来打破液体流动的对称性，以克服表面缺陷对流动的阻碍。
单向液体流动表面是通过利用不同表面化学成分或纳米结构来实现的，制备的主要方法有电化学、光刻、压印等在基底上制造不同基团浓度或不对称微纳结构，使液体沿着设计方向运动。在文章“Li,C.X.；Li,N.；Zhang,X.S.；Dong,Z.C.；Chen,H.W.；Jiang,L.Uni-Directional Transportation on Peristome-Mimetic Surfaces for CompletelyWetting Liquids.Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,14988–14992”中，作者通过光固化在材料表面形成具有开口状边缘的仿猪笼草结构，使得液体通过表面张力和拉普拉斯力在加工结构内部进行单向流动。在文章“I.Paradisanos,C.Fotakis,S.H.Anastasiadis,E.Stratakis.Gradient induced liquid motion on laser structured black Sisurfaces.Appl.Phys.Lett.2015,107,111603”中，作者在真空环境中通过改变激光能量，在材料表面加工得到大量密度与高度阶梯性变化的锥状结构，使得表面湿润性具有阶梯性的变化用来控制液体的流动。飞秒激光加工精度高、灵活性强，已被广泛接受应用于各种材料的加工。激光制造的微纳结构表面具有一定的各向异性润湿性，对液体在不同方向的扩散具有独特的控制作用。
发明内容
本方法的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法。该方法无需改变激光能量参数，并可快速加工出所需液体各向异性流动图案化表面。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，包括如下步骤：
步骤一：搭建飞秒激光时域整形加工系统；
步骤二：在待加工样品表面覆盖一片倾斜透明材料；
步骤三：通过飞秒激光时域整形技术将脉冲序列激光聚焦到基底表面上，根据需求预先调控好飞秒激光脉冲序列的加工参数和加工路径，无需改变参数即能够快速加工出所需的单向流动表面。
步骤二所述的倾斜的角度为透明材料与待加工样品表面之间的夹角，所述夹角不大于5°；
步骤二所述的透明材料包括玻璃、塑料和有机物；
所述加工参数包括飞秒激光脉冲序列的脉冲延时、扫描速度以及加工所需的物镜。所述的飞秒激光脉冲序列的脉冲延时0～20ps、扫描速度100～2000μm/s、加工所需物镜20X。
步骤一所述的飞秒激光时域整形系统包括钛蓝宝石飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片组、机械光开关、飞秒激光双脉冲发生装置、超快反射镜、二向色镜、CCD动态成像单元和聚焦物镜；钛蓝宝石飞秒激光器发出的激光光束经由机械光开关与衰减片组进入飞秒激光双脉冲发生装置，经过时域整形得到飞秒激光脉冲序列，其能量已被衰减至满足预设使用需求的能量值；随后被超快反射镜反射，经聚焦物镜聚焦到位于精密电控平移台上的待加工样品，位于最上方的白光照明光源发出的照明光经过二向色镜、超快反射镜和聚焦物镜照到待加工样品，进行反射，反射后的照明光再经过聚焦物镜、超快反射镜返回，经过二向色镜反射，到达CCD动态成像单元，计算机连接飞秒激光器，控制飞秒激光双脉冲发生装置以调节脉冲延时的长短至满足预设使用需求的时长，控制机械开关的打开与关闭，控制精密电控平移台使其在XYZ方向进行运动，所述运动满足预设使用需求的速度和位置，并连接CCD动态成像单元进行加工样品表面的监控。
作为优选，步骤一中所述的飞秒激光双脉冲发生装置选基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光双脉冲发生装置；
作为优选，步骤二中所选用的透明材料厚度为0.13-0.16mm；
作为优选，步骤三中所采用的飞秒激光脉冲延时为1ps，扫描速度为500μm/s，加工物镜20x；改变扫描速度100～2000μm/s，脉冲延时0～20ps，得到拥有不同湿润性梯度的液体各向异性动表面，仍然属于本专利的保护范围。
有益效果
1、通过使用倾斜的透明材料覆盖样品表面，该方法无需改变激光能量参数，快速加工出液体各向异性流动表面。
现有研究表明，表面结构对表面润湿性有显著影响。钟敏霖等人发现，改变铜表面柱状结构的高度可以改变液体表面接触角的变化，实现润湿性由Cassie向Wenzel状态的转变。双脉冲是通过调整脉冲时延来改变处理结果的一种有效方法。此外，还选择了斜向覆盖透明材料来改变等离子体的扩散空间。激光诱导等离子体在空气中产生和膨胀，可增强等离子体约束在这种条件下的效果，与双脉冲的有效配合可实现能量到达基体的无级变化。因此，可以很容易地做出不同的结构深度和平滑的润湿性转变。
2、扩散面积小，可定制图案化加工。
等离子体扩散空间变化辅助飞秒激光双脉冲序列加工可设计液体单向流动表面的方法，可限制液体在流动过程中的横向扩散，液体扩散面积小，且在加工过程中设计组合的图案，液体单向流动表面可以灵活控制液体在指定路径下流动，可能会进一步扩展飞秒激光微机械在雾收集、化学反应控制等领域的应用。
附图说明
图1为飞秒激光时域整形脉冲序列加工光路示意图；
图2为一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法的加工结构示意图；其中，图a为单次加工最深处尺寸；图b为单次加工最浅处尺寸；
图3为水滴在加工样品上单向流动结果图。
其中，1-飞秒激光器、2-半波片、3-偏振片、4-衰减片组、5-分束镜、6-可移动反射镜、7-固定反射镜、8-超快反射镜、9-机械开关、10-二向色镜、11-聚焦物镜、12-白光照明光源与CCD动态成像单元、13-载玻片、14-待加工样品、15-倾斜透明材料。
具体实施方式
为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例公开的一种基于电子动态调控快速加工图案化液体单向流动表面的方法，具体步骤如下：
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公司生产的激光器，实验过程中采用的为线偏振光，激光中心波长为800nm，脉宽为35fs，重复频率为1kHz；实验中待加工样品为金属钛，尺寸为10mm×10mm×0.5mm。
步骤一、如图1所示，飞秒激光系统利用迈克尔逊干涉仪产生飞秒激光双脉冲序列，通过控制反射镜移动选择合适的双脉冲延时进行加工。飞秒激光时域整形系统包括飞秒激光器1、半波片2、偏振片3、衰减片组4、分束镜5、可移动反射镜6、固定反射镜7、超快反射镜8、机械开关9、二向色镜10、聚焦物镜11、白光照明光源与CCD动态成像单元12、载玻片13、待加工样品14、倾斜透明材料15；飞秒激光器1发出的激光光束经由半波片2、偏振片3、衰减片组4与分束镜5，经过分束镜5得到的两束光束，其能量已被衰减至满足预设使用需求的能量值；随后被可移动反射镜6、固定反射镜7反射进行合束，通过可移动反射镜6对双脉冲延时进行调控，合束后通过超快反射镜8反射，通过机械开关9经二向色镜10、聚焦物镜11聚焦到位于电控平移台上的待加工样品表面，位于最上方的白光照明光源与CCD动态成像单元12发出的照明光经过二向色镜10和聚焦物镜11照到载玻片13上待加工样品14，待加工样品14上覆盖倾斜透明材料15，通过样品反射后的照明光再经过返回，经过二向色镜10反射，到达白光照明光源与CCD动态成像单元12，通过控制可移动反射镜6调节脉冲延时的长短至满足预设使用需求的时长，控制机械开关9的打开与关闭，控制精密电控平移台使其在XYZ方向进行运动，所述运动满足预设使用需求的速度和位置，并连接CCD动态成像单元进行加工样品表面的监控。
步骤二、将透明材料倾斜在加工基底表面，所选用的透明材料厚度为0.13mm，透明材料与钛金属基底之间倾斜角度为5°；
步骤三、将步骤一中得到的1ps延时飞秒激光双脉冲序列垂直入射至步骤二准备的样品表面，经20X物镜聚焦，调整相关元器件，透过表面倾斜透明材料聚焦在加工样品表面
步骤四、通过电脑控制样品的移动轨迹，选择500μm/s加工速度与200mw能量对材料表面进行加工，得到单向表面，如图2所示。
步骤五、如图2所示，图2(a)为单次加工最深处尺寸，图2(b)为单次加工最浅处尺寸。得到结果使用酒精超声清洗加工表面，并将1μL液滴滴在加工表面，对液滴流动效果进行测试，可见样品具有各向异性流动的特性如图3所示。
样品加工系统包括倾斜的透明材料片与待加工样品，透明材料倾斜放置在待加工样品上，一端与样品接触，另一端远离样品。样品与透明材料之间的距离与加工能量以及采用物镜具有相关性
通过本发明的实施案例可以看出，基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，加工过程简单，结果可靠，具有二次调节的能力，可实现任意图案化加工并可灵活调节加工效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：搭建飞秒激光时域整形加工系统；
步骤二：在待加工样品表面覆盖一片倾斜透明材料；
步骤三：通过飞秒激光时域整形技术将脉冲序列激光聚焦到基底表面上，根据需求预先调控好飞秒激光脉冲序列的加工参数和加工路径，无需改变参数即能够快速加工出所需的单向流动表面；
其中，步骤一所述的飞秒激光时域整形系统包括钛蓝宝石飞秒激光器、半波片、偏振片、衰减片组、机械光开关、飞秒激光双脉冲发生装置、超快反射镜、二向色镜、CCD动态成像单元和聚焦物镜；钛蓝宝石飞秒激光器发出的激光光束经由机械光开关与衰减片组进入飞秒激光双脉冲发生装置，经过时域整形得到飞秒激光脉冲序列，其能量已被衰减至满足预设使用需求的能量值；随后被超快反射镜反射，经聚焦物镜聚焦到位于精密电控平移台上的待加工样品，位于最上方的白光照明光源发出的照明光经过二向色镜、超快反射镜和聚焦物镜照到待加工样品，进行反射，反射后的照明光再经过聚焦物镜、超快反射镜返回，经过二向色镜反射，到达CCD动态成像单元，计算机连接飞秒激光器，控制飞秒激光双脉冲发生装置以调节脉冲延时的长短至满足预设使用需求的时长，控制机械开关的打开与关闭，控制精密电控平移台使其在XYZ方向进行运动，所述运动满足预设使用需求的速度和位置，并连接CCD动态成像单元进行加工样品表面的监控；
步骤一中所述的飞秒激光双脉冲发生装置选基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光双脉冲发生装置。
2.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，其特征在于：步骤二所述的倾斜的角度为透明材料与待加工样品表面之间的夹角，所述夹角不大于5°。
3.如权利要求1或2所述的一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，其特征在于：步骤二所述的透明材料包括玻璃、塑料和有机物。
4.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，其特征在于：步骤三所述加工参数包括飞秒激光脉冲序列的脉冲延时、扫描速度以及加工所需的物镜；所述的飞秒激光脉冲序列的脉冲延时0～20ps、扫描速度100～2000μm/s、加工所需物镜20X。
5.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，其特征在于：步骤二中所选用的透明材料厚度为0.13-0.16mm。
6.如权利要求1所述的一种基于电子动态调控加工液体单向流动表面的方法，其特征在于：步骤三中所采用的飞秒激光脉冲延时为1ps，扫描速度为500μm/s，加工物镜20x。
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