CN110640305A - 一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，属于飞秒激光应用技术领域。本发明的制备系统，利用脉冲整形器与相位型空间光调制器，通过设计双脉冲的子脉冲延时与子脉冲能量比，加载特定相位，将单束高斯分布的飞秒激光单脉冲整形成为具有特定时域分布与空间分布的多焦点双脉冲飞秒激光。通过设定激光重复频率与扫描参数，最后利用平移台运动实现激光直写，在样品表面加工出有序的微纳复合结构，最终制备出大面积、高质量的超疏水表面。由于时域整形得到的双脉冲子脉冲能量相比于传统飞秒激光较低，能够减少热应力的生成，因此加工得到的微纳结构力学性能较好。本发明制备系统具有较高的效率以及较低的热应力。

Description

一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

自然界中的许多现象，比如荷叶的出淤泥而不染、壁虎的贴墙直走、水黾的水上行走都离不开超疏水现象。而在生产生活中，超疏水表面作为一种功能性表面，在自清洁、抗腐蚀、流体减阻、油水分离等领域也都有着非常广泛的应用。对于某种材料表面的疏水性最有效的检测办法是测量水在该表面上的静态接触角，如果接触角大于90°，该表面为疏水表面。而在接触角超过150°的情况下，该表面可以被认定为是超疏水表面。

超疏水作为材料的浸润性，是由材料表面的化学组成与微观形貌所共同决定的。当材料表面具有有序的微纳米结构的情况下，在水与材料相接触时，会有一部分空气进入到水与这些结构之间的空隙中，使得水珠与材料的接触面积大大减小。同时由于水的表面张力作用，使得水滴在材料表面呈球形，接触角超过150°，可在表面自由滚动。这也是超疏水表面自清洁，抗腐蚀，减阻等特性的来源。

目前，常用来制备超疏水表面结构的手段主要有模板法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电化学方法、激光和等离子体刻蚀法，光刻法等等。如Sheng通过在氧化铝模板上挤压，成功制备出表面具有疏水性纳米结构的高密度乙烯纳米纤维(HDPE)。Weibel等人则是通过化学刻蚀获得具有微米结构的铝表面，再通过阳极氧化在微米结构上获得纳米结构，最后进行表面疏水化得到超疏水表面。这些方法大多数步骤繁杂，且限制居多。比如模板法在价格较贵的同时，很难加工尺寸较大的材料。而电化学与化学刻蚀方法虽然便宜，但效率较低，耗时较长，所得到的超疏水表面也较不均匀，容易出现应力缺陷。光刻技术则是由于其昂贵的设备与繁杂的工序，带来诸多不便。而飞秒激光作为一种近年来新兴技术，在微纳加工领域具有高功率、高一致性与重复性等优势，将其应用到微纳米复合结构加工上，能成功实现超疏水表面的制备。例如专利飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置(申请号201410788485.5)描述了一种飞秒激光直接诱导微纳米结构的方法与装置，实现一步制备超疏水表面。但该方法并未对飞秒激光进行任何整形，由于飞秒激光放大级的能量一般较高，单个脉冲能量在mJ量级，重复频率一般较低，最高为1KHz左右，因此，应用传统的飞秒激光制备超疏水表面，在一定程度上仍具有效率较低，存在热应力等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，采用时空整形技术，对传统时域上以及空间上均呈高斯分布的飞秒激光进行调控，将具有特定时域分布与空间分布的被整形激光聚焦到被加工样品表面，一步直写出微纳米结构，实现高效率，且热应力较小的超疏水表面的制备。

本发明提出的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，包括飞秒激光器、半波片、偏振片、凹透镜、凸透镜、光阑、脉冲整形器、机械快门、相位型空间光调制器、第一平凸透镜、反射镜、第二平凸透镜、二向色镜、加工物镜、六维平移台、半透半反镜、成像透镜、工业照相机和白光光源；所述的飞秒激光器、半波片、偏振片、凹透镜、凸透镜和光阑依次设置在第一光轴上，飞秒激光器发出的飞秒激光通过凹透镜、凸透镜和光阑，控制进入脉冲整形器的激光光束直径，机械快门控制经时域整形后的飞秒激光入射到相位型空间光调制器上，产生时空整形飞秒激光脉冲；该时空整形后的飞秒激光脉冲依次经过第一平凸透镜、反射镜、第二平凸透镜和二向色镜后入射到加工物镜上方，经由加工物镜聚焦后照射在位于六维平移台的待加工样品上，在待加工样品上得到超疏水表面；所述的半波片与偏振片共同构成能量调节系统，对飞秒激光器的能量进行调节，并使出射飞秒激光的偏振方向为水平；脉冲整形器通过设置延时和能量比参数，对飞秒激光进行时域整形；相位型空间光调制器对飞秒激光进行空间整形；所述的凹透镜、凸透镜和光阑共同构成空间光束的扩束整形系统，控制进入脉冲整形器的飞秒激光光束的直径；其中凹透镜的前焦点与凸透镜的前焦点互相重合；所述的二向色镜，以及位于二向色镜一侧的工业照相机和白光光源构成正面成像单元，由正面成像单元得到飞秒激光加工的实时成像照片；

所述的相位型空间光调制器、第一平凸透镜、第二平凸透镜和加工物镜一起构成4F系统，即：第一平凸透镜的焦距f与第二平凸透镜的焦距f相同，且第一平凸透镜与第二平凸透镜之间的间距等于该焦距f，并使第一平凸透镜与相位型空间光调制器液晶屏之间的距离为焦距f，同时使第二平凸透镜与加工物镜之间的距离为焦距f，通过该4F系统，使经过相位型空间光调制器调制的光场在到达加工物镜之前无衍射效应。

本发明提出的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，其优点是：

1、本发明的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，将时空整形飞秒激光应用于超疏水表面制备时，由于时域整形得到的双脉冲可以调控材料表面的电子动态，能够显著提高能量沉积效率，使得加工所需能量较低，且相同激光通量下加工得到的微纳结构更深。

2、本发明的时空整形飞秒激光应用于超疏水表面制备时，由于时域整形得到的双脉冲子脉冲能量相比于传统飞秒激光较低，能够减少热应力的生成，因此加工得到的微纳结构力学性能较好。

3、本发明的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，通过空间光调制器所加载相位的变化，可以自由调控多焦点光场的焦点数量以及间距，实现多焦点并行加工或是阵列加工，具有非常高的加工效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统的结构示意图。

图2是在空间光调制器上所加载的相位。

图1中，1是飞秒激光器，2是半波片，3是偏振片，4是凹透镜，5是凸透镜，6是光阑，，7是脉冲整形器，8是机械快门，9是空间光调制器，10是第一平凸透镜，11是反射镜，12是第二平凸透镜，13是二向色镜，14是加工物镜，15是待加工样品，16是六维平移台，17是半透半反镜，18是成像透镜，19是工业照相机，20是白光光源。

具体实施方式

本发明提出的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，其结构如图1所示，包括飞秒激光器1、半波片2、偏振片3、凹透镜4、凸透镜5、光阑6、脉冲整形器7、机械快门8、相位型空间光调制器9、第一平凸透镜10、反射镜11、第二平凸透镜12、二向色镜13、加工物镜14、六维平移台16、半透半反镜17、成像透镜18、工业照相机19、白光光源20；所述的飞秒激光器1、半波片2、偏振片3、凹透镜4、凸透镜5、光阑6依次设置在第一光轴上，飞秒激光器1发出的飞秒激光通过凹透镜4、凸透镜5、光阑6控制进入脉冲整形器7的激光光束直径，机械快门8控制经时域整形后的飞秒激光入射到相位型空间光调制器9上，产生时空整形飞秒激光脉冲；该时空整形后的飞秒激光脉冲依次经过第一平凸透镜10、反射镜11、第二平凸透镜12、二向色镜13后入射到加工物镜14上方，经由加工物镜14聚焦后照射在位于六维平移台16的待加工样品15上，在待加工样品15上加工超疏水表面；所述的半波片2与偏振片3共同构成能量调节系统，对飞秒激光器1的能量进行自由调节，并使出射飞秒激光的偏振方向为水平；脉冲整形器7通过设置延时和能量比参数，对飞秒激光进行时域整形；相位型空间光调制器9对飞秒激光进行空间整形，生成需要的多焦点光场；所述的凹透镜4、凸透镜5和光阑6共同构成空间光束的扩束整形系统，控制进入脉冲整形器7的飞秒激光光束的直径，保证时域整形脉冲的质量，其中凹透镜4的前焦点与凸透镜5的前焦点互相重合；所述的二向色镜13，以及位于二向色镜13一侧的工业照相机19和白光光源20构成正面成像单元，由正面成像单元得到飞秒激光加工的实时成像照片；

所述的相位型空间光调制器9、第一平凸透镜10、第二平凸透镜12和加工物镜14一起构成4F系统，即：第一平凸透镜10的焦距f与第二平凸透镜12的焦距f相同，且第一平凸透镜10与第二平凸透镜12之间的间距等于该焦距f，并使第一平凸透镜10与相位型空间光调制器9液晶屏之间的距离为焦距f，同时使第二平凸透镜12与加工物镜14之间的距离为焦距f，通过该4F系统，使经过相位型空间光调制器9调制的光场在到达加工物镜14之前无衍射效应。

上述基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统中，飞秒激光器产生的飞秒激光的各参数为：飞秒激光脉冲重复频率为10-1000Hz，单个脉冲能量控制在20-200μJ，激光聚焦前束腰直径控制在4-12mm。

上述基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统中，所述的时空整形飞秒激光各参数为：双脉冲子脉冲延时为0-30ps，子脉冲能量比为(0.1-10):1，多焦点光场的各焦点间距为5-100μm。本发明提出的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，其工作原理是：

通过设定脉冲整形器7参数来对时域整形脉冲做出控制，同时根据并行加工所需求的行数，对相位型空间光调制器9进行相位设置。其中，可以调节时域整形双脉冲的脉冲延时与能量分布等参数与，以得到较好的加工结果。其中，设定空间光调制器加载相位为将单束激光分束成多焦点光束的特定相位。通过设置的激光脉冲重复频率结合机械快门的控制可以扫描速度与间隔，以此控制加工区域的尺寸与形貌。通过设置单脉冲能量的范围来保证激光能量密度不超过空间光调制器阈值的同时能够达到加工材料的阈值。利用设定的参数产生时空整形飞秒激光光场，将此飞秒激光光场聚焦在待加工样品表面，同时控制机械快门时间与六维平移台的运动，实现超疏水表面的加工。

下面结合附图以及实例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例中，使用的飞秒激光器为相干公司(Coherent)的钛蓝宝石激光器，中心波长800nm，脉冲宽度35fs，重复频率最高1000Hz，最大单脉冲能量为7mJ，光场分布为高斯分布。使用的空间光调制器(SLM)为Holoeye公司的Pluto-2型号。使用的六维平移台的x、y和z轴的重复定位精度分别为±0.5μm、±0.5μm和±0.2μm)，六维平移台的生产公司为PhysikInstrumente，产品型号为H-811.I2。使用的照相机为工业级CCD。

实施例1：以时空整形飞秒激光加工铝合金表面获得超疏水表面。

本实施例的具体加工步骤如下：打开激光器，等待20-30分钟后激光器出光稳定，将各光路元件依按图1顺序置入光学平台，之后将飞秒激光进行准直调节使其在未整形以及未聚焦的情况下能照射在铝合金表面上。设定飞秒激光器1的飞秒激光脉冲重复频率为1000Hz，激光聚焦前束腰直径控制在7mm。在六维平移台16的控制程序运行下，在加工光路末端确定加工物镜14的焦平面，使加工物镜14的焦点正好位于待加工铝合金的表面。

然后设置脉冲整形器7的参数，使入射的单脉冲飞秒激光被整形成为两个子脉冲能量比为1:1的双脉冲，调节两个子脉冲间隔为1000fs。再在相位型空间光调制器9上加载对应双焦点光场分布的相位，如图2所示，调节得到的双焦点间距为50μm且两个焦点连线与后续扫描速度方向相垂直。接着利用半波片2，偏振片3组合将飞秒激光能量调节为100μJ，之后将该光场通过“4F系统”无衍射地搬运到加工物镜14上方，聚焦到固定在六维平移台16上的待加工铝合金15表面。同时借助白光光源20，工业级CCD相机19进行成像观察。在使进行时空整形后的飞秒激光聚焦照射在待加工铝合金15上后，操作六维平移台16，用预先编写好的代码实现待加工铝合金15的运动，其中x方向为步进，进给量为100μm，y方向为匀速扫描，扫描速度为1μm/s，z方向保持离焦量为0。扫描完成后对铝合金样品进行清洗，即可得到具有微纳复合结构的超疏水表面。

实施例2：以时空整形飞秒激光加工钛合金表面获得超疏水表面。

本实施例的具体加工步骤如下：打开激光器，等待20-30分钟后激光器出光稳定，将各光路元件依按图1顺序置入光学平台，之后将飞秒激光进行准直调节使其在未整形以及未聚焦的情况下能照射在钛合金表面上。设定飞秒激光器1的飞秒激光脉冲重复频率为500Hz，激光聚焦前束腰直径控制在7mm。在六维平移台16的控制程序运行下，在加工光路末端确定加工物镜14的焦平面，使加工物镜14的焦点正好位于待加工钛合金的表面。

然后设置脉冲整形器7的参数，使入射的单脉冲飞秒激光被整形成为两个子脉冲能量比为1:2的双脉冲，调节两个子脉冲间隔为500fs。再在相位型空间光调制器9上加载对应双焦点光场分布的相位(如图2所示)，调节得到的双焦点间距为40μm且两个焦点连线与后续扫描速度方向相垂直)。接着利用半波片2，偏振片3组合将飞秒激光能量调节为80μJ，之后将该光场通过“4F系统”无衍射地搬运到加工物镜14上方，聚焦到固定在六维平移台16上的待加工钛合金15表面。同时借助白光光源20，工业级CCD相机19进行成像观察。在使进行时空整形后的飞秒激光聚焦照射在待加工钛合金15上后，操作六维平移台16，用预先编写好的代码实现待加工钛合金15的运动，其中x方向为步进，进给量为80μm，y方向为匀速扫描，扫描速度为0.8μm/s，z方向保持离焦量为0。扫描完成后对钛合金样品进行清洗，即可得到具有微纳复合结构的超疏水表面。

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 (3)

1.一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，其特征在于，该系统包括飞秒激光器、半波片、偏振片、凹透镜、凸透镜、光阑、脉冲整形器、机械快门、相位型空间光调制器、第一平凸透镜、反射镜、第二平凸透镜、二向色镜、加工物镜、六维平移台、半透半反镜、成像透镜、工业照相机和白光光源；所述的飞秒激光器、半波片、偏振片、凹透镜、凸透镜和光阑依次设置在第一光轴上，飞秒激光器发出的飞秒激光通过凹透镜、凸透镜和光阑，控制进入脉冲整形器的激光光束直径，机械快门控制经时域整形后的飞秒激光入射到相位型空间光调制器上，产生时空整形飞秒激光脉冲；该时空整形后的飞秒激光脉冲依次经过第一平凸透镜、反射镜、第二平凸透镜和二向色镜后入射到加工物镜上方，经由加工物镜聚焦后照射在位于六维平移台的待加工样品上，在待加工样品上得到超疏水表面；所述的半波片与偏振片共同构成能量调节系统，对飞秒激光器的能量进行调节，并使出射飞秒激光的偏振方向为水平；脉冲整形器通过设置延时和能量比参数，对飞秒激光进行时域整形；相位型空间光调制器对飞秒激光进行空间整形，生成需要的多焦点光场；所述的凹透镜、凸透镜和光阑共同构成空间光束的扩束整形系统，控制进入脉冲整形器的飞秒激光光束的直径；其中凹透镜的前焦点与凸透镜的前焦点互相重合；所述的二向色镜，以及位于二向色镜一侧的工业照相机和白光光源构成正面成像单元，由正面成像单元得到飞秒激光加工的实时成像照片；

所述的相位型空间光调制器、第一平凸透镜、第二平凸透镜和加工物镜一起构成4F系统，即：第一平凸透镜的焦距f与第二平凸透镜的焦距f相同，且第一平凸透镜与第二平凸透镜之间的间距等于该焦距f，并使第一平凸透镜与相位型空间光调制器液晶屏之间的距离为焦距f，同时使第二平凸透镜与加工物镜之间的距离为焦距f，通过该4F系统，使经过相位型空间光调制器调制的光场在到达加工物镜之前无衍射效应。

2.如权利要求1所述的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，其特征在于其中所述的飞秒激光器产生的飞秒激光的各参数为：飞秒激光脉冲重复频率为10-1000Hz，单个脉冲能量控制在20-200μJ，激光聚焦前束腰直径控制在4-12mm。

3.如权利要求1所述的基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，其特征在于其中所述的时空整形飞秒激光各参数为：双脉冲子脉冲延时为0-30ps，子脉冲能量比为(0.1-10):1，多焦点光场的各焦点间距为5-100μm。

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