CN110193662A - 由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统，属于飞秒激光应用领域。本方法利用空间光调制器对飞秒激光高斯光束的相位进行调制，调制后的激光经过透镜聚焦，在透镜的焦点处得到特定的光场强度分布，再经过光学4f系统聚焦在氧化石墨烯表面。通过调整加载在空间光调制器上的相位图，可以实现定点辐照就在氧化石墨烯表面得到一定形状的加工图案，被加工的区域发生还原反应产生类石墨烯结构。本发明具有加工效率高、可重复性高、适应范围广的优点，为制备氧化石墨烯‑石墨烯复合结构提供了一种可行的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
石墨烯自被发现以后，因为其在机械、电学、化学等方面的优异性能而受到广泛关注，目前合成石墨烯的方法有很多种，而利用激光还原氧化石墨烯获得石墨烯是一种稳定、高效的方法，同时，因为氧化石墨烯容易合成，也使得此种方法在经济上更加可行。氧化石墨烯的性质与石墨烯不同，例如，氧化石墨烯并不具有导电性，利用激光在氧化石墨烯表面局部还原产生石墨烯，能制备出氧化石墨烯和石墨烯的复合结构，这种复合结构可以用于构造石墨烯微纳器件。
利用激光还原氧化石墨烯可以使用不同类型的激光，目前已经报道的有连续激光、皮秒激光、飞秒激光等，飞秒激光因为脉冲超短，热影响区小，更加适合加工这种材料。因为飞秒激光高斯光束经过聚焦后焦点面积很小，如要在氧化石墨烯上加工出一定的图案，就需要进行逐点扫描，扫描时需要合理调整光束和氧化石墨烯的相对运动速度从而控制每个区域被激光作用的时间，当需要大量重复加工相同图案时，这种方法便不太适合。
空间光束整形技术是飞秒激光应用领域广泛使用的技术手段之一，空间光调制器是常用的空间光束整形工具，通过在空间光调制器上加载不同的相位图，使激光束在其表面反射之后，不同位置的光具有不同的相位，这一带有特殊相位分布的光场经过聚焦之后，将在焦点处产生具有特定形状的光强分布，使用此光场辐照材料即可直接加工出相应形状的图案，而不需要进行扫描。
已有技术中“一种利用氧化石墨烯制备导电微纳结构的光加工方法”(中国专利，申请号200910217941.X)，其用飞秒激光聚焦在氧化石墨烯表面后实现还原，调整激光的功率可以控制氧化石墨烯的还原程度。但该方法是通过逐点扫描加工出螺旋形、直线形等图案，加工效率较低，且重复性差，不适合大规模重复加工相同图案。
发明内容
本发明的目的在于提出一种由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统，通过空间光调制器将高斯光束在焦点处的光场分布调制为不同的形状，在氧化石墨烯表面进行定点辐照，产生特定形状的图案。
本发明提出的由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统，包括飞秒激光器、衰减片、光阑、电控快门、反射镜、空间光调制器、第一凸透镜、第二凸透镜、二向色镜、聚焦物镜、平移台、第三凸透镜、电荷耦合元件和计算机；所述的飞秒激光器、衰减片、光阑和电控快门共光轴设置，飞秒激光器产生的飞秒激光经过衰减片调节激光功率，又经过光阑调节飞秒激光光斑直径后，经电控快门和反射镜入射到空间光调制器表面，照在调制器表面不同位置的飞秒激光被加载不同的相位后反射，反射出的飞秒激光依次经过第一凸透镜和第二凸透后依次射入二向色镜和聚焦物镜，传播并聚焦到氧化石墨烯样品的表面，实现对氧化石墨烯表面图案的加工；氧化石墨烯样品置于平移台上；二向色镜的另一侧为由第三凸透镜和电荷耦合元件组成的观测系统，实现加工时的观测；所述的飞秒激光器、电控快门、空间光调制器、平移台和电荷耦合元件通过信号线与计算机相连。
本发明提出的由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统，其优点是：
1、本发明的由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统，在进行图案加工中，当飞秒激光聚焦在氧化石墨烯表面时，不需要进行逐点扫描，进行定点辐照就可以在氧化石墨烯表面加工出所需图案，因此大大提高了加工效率。
2、利用本发明的系统，在飞秒激光聚焦到氧化石墨烯表面后，可以通过调整入射的飞秒激光的功率和脉冲个数，以调整被加工区域发生还原和烧蚀的程度。
3、利用本发明的系统，当利用平移台间歇移动待加工的氧化石墨烯时，空间光调制器中所加载的相位图保持不变，可以实现相同图案的快速重复加工，如果当利用平移台间歇移动待加工的氧化石墨烯时，改变空间光调制器中所加载的相位图，就可以利用图案的拼接实现更大面积不同图案的快速加工。
附图说明
图1是本发明提出的由空间光整形的飞秒激光加工氧化石墨烯表面图案的系统的结构示意图。
图2是本发明实施例1的相位图。
图3是本发明实施例1的加工效果光学显微镜图。
图4是本发明实施例2的相位图，为字母“T”形图案对应的相位图。
图5是本发明实施例2的加工效果光学显微镜图。
图6是本发明实施例3的相位图，依次为字母“T”，“H”,“U”形图案对应的相位图。
图7是本发明实施例3的加工效果光学显微镜图。
图1中，1是飞秒激光器，2是衰减片，3是光阑，4是电控快门，5是反射镜，6是空间光调制器，7是第一凸透镜，8是第二凸透镜，9是二向色镜，10是聚焦物镜，11是氧化石墨烯样品，12是平移台，13是第三凸透镜，14是电荷耦合元件，15是计算机。
具体实施方式
本发明提出的基于飞秒激光的氧化石墨烯表面图案加工系统，其结构示意图如图1所示，该加工系统包括飞秒激光器1、衰减片2、光阑3、电控快门4、反射镜5、空间光调制器(以下简称SLM)6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、二向色镜9、聚焦物镜10、氧化石墨烯样品(以下简称GO)11、平移台12、第三凸透镜13、电荷耦合元件(以下简称CCD)14和计算机15；所述的飞秒激光器1、衰减片2、光阑3和电控快门4共光轴设置，飞秒激光器1产生的飞秒激光经过衰减片2调节激光功率，又经过光阑3调节飞秒激光光斑直径后，经电控快门4、反射镜5入射到SLM 6表面，照在调制器表面不同位置的飞秒激光被加载不同的相位后反射，反射出的飞秒激光依次经过第一凸透镜7、第二凸透镜8射入二向色镜9和聚焦物镜10，传播并聚焦到GO 11表面，实现对GO 11表面图案的加工；GO 11置于平移台12上；二向色镜9的另一侧为由第三凸透镜13和CCD14组成的观测系统，实现加工时的观测；飞秒激光器1、电控快门4、SLM6、平移台12和CCD 14通过信号线与计算机15相连，并由计算机15控制。
本发明系统中，被加载到SLM 6的不同相位，是根据需加工的氧化石墨烯表面图案的要求得到。其中，若加工的氧化石墨烯表面图案形状较为规则，例如圆环、直线或点列等，可以由SLM 6的控制软件直接产生对应的相位图；若加工任意形状的图案，可以利用迭代傅里叶变换方法，计算得到需加工的氧化石墨烯表面图案对应的相位图。
本发明的实施例中，使用的飞秒激光器1是COHERENT公司生产的Astrella型飞秒激光器，其主要参数为：中心波长800nm，重复频率1000Hz，脉冲宽度35fs。使用的空间光调制器(SLM)6由HOLOEYE公司生产，产品型号为PULTO-NIR-015。使用的电荷耦合元件(CCD)14由映美精公司生产，产品型号为DMK23ux236。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步介绍。
实施例1
在GO 11表面加工圆环形图案，需要在SLM 6上加载锥透镜型相位图，相位图如图2所示。打开飞秒激光器1产生飞秒激光，通过光阑2调整光斑直径为8mm，通过衰减片3调节激光功率为2mW。利用计算机15上的控制软件，将上述相位图加载到SLM6上。从SLM6反射出的飞秒激光经过第一凸透镜7和第二凸透镜8组成的光学4f系统传播到聚焦物镜10，并通过聚焦物镜10聚焦，控制平移台12上下运动使焦点对准在GO 11表面。利用计算机15设置电控快门4的打开时间为10ms，打开快门即可在GO 11的表面加工出圆环形图案，利用计算机15控制平移台12平移50um，再依次设置电控快门4的打开时间为20ms，30ms，40ms，50ms，60ms，70ms，80ms，90ms，100ms，200ms和500ms，每改变一次电控快门4的打开时间，就控制平移台12平移50um，并打开快门一次。最后在氧化石墨烯11表面得到12个还原与烧蚀程度不同的圆环形图案，如图3所示。
由实施例1可知，通过在SLM 6上加载锥透镜型相位图，可以实现圆环形图案的快速重复加工，并且通过调整激光作用的时间，可以控制加工区域的GO 11的还原与烧蚀程度。
实施例2
在GO 11表面加工字母“T”形状的图案阵列，首先利用迭代傅里叶变换方法计算该形状的光场对应的相位图，计算出的相位图如图4所示。调节激光功率为1.5mW，利用计算15，将计算获得的相位图加载至SLM 6上，聚焦方式与实施例1相同，设置电控快门4的打开时间为20ms。通过控制平移台12按照40um的间隔运动，在每个位置打开快门一次，平移台的运动使激光在GO 11表面加工出一个6x4的字母“T”形图案的阵列。
由实施例2可知，利用迭代傅里叶变换算法计算相位图，并加载到SLM表面，可以实现任意形状图案的快速重复加工。
实施例3
在GO 11表面加工字母“THU”形状的图案，可以将图案分割为三个部分“T”,“H”和“U”，对每一部分分别利用迭代傅里叶变换方法，计算对应的相位图，计算出的相位图如图6所示。调节激光功率为1.5mW，首先将字母“T”形图案对应的相位图加载至SLM6上，聚焦方式与实施例1相同。设置电控快门4的打开时间为20ms，打开快门进行加工，可以得到字母“T”形状的图案，然后控制平移台12平移50um，再将字母“H”形图案对应的相位图加载至SLM 6上，打开快门进行加工，最后控制平移台12继续平移50um，将字母“U”形图案对应的相位图加载至SLM 6上，打开快门进行加工，即可在GO 11表面加工出图案“THU”，如图7所示。
由实施例3可知，加工复杂程度较高、面积较大的图案时，可以先对图案进行分割，分区域计算对应的相位图，依次加载到SLM表面，利用拼接的方法实现对更加复杂的图案的加工。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于飞秒激光的氧化石墨烯表面图案加工系统，其特征在于，该加工系统包括飞秒激光器、衰减片、光阑、电控快门、反射镜、空间光调制器、第一凸透镜、第二凸透镜、二向色镜、聚焦物镜、平移台、第三凸透镜、电荷耦合元件和计算机；所述的飞秒激光器、衰减片、光阑和电控快门共光轴设置，飞秒激光器产生的飞秒激光经过衰减片调节激光功率，又经过光阑调节飞秒激光光斑直径后，经电控快门和反射镜入射到空间光调制器表面，照在调制器表面不同位置的激光被加载不同的相位后反射，反射出的飞秒激光依次经过第一凸透镜和第二凸透后依次射入二向色镜和聚焦物镜，传播并聚焦到氧化石墨烯样品的表面，实现对氧化石墨烯表面图案的加工；氧化石墨烯样品置于平移台上；二向色镜的另一侧为由第三凸透镜和电荷耦合元件组成的观测系统，实现加工时的观测；所述的飞秒激光器、电控快门、空间光调制器、平移台和电荷耦合元件通过信号线与计算机相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20201201 |