CN112059412A - 一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特点是利用搭建的激光同步偏振控制加工系统以及计算机辅助制造程序，通过精确控制机械运动和激光辐照参数，在平面或曲面上制备了周期性亚波长条纹，实现对激光偏振方向的同步控制，以及对条纹方向的精确操控，利用不同的条纹方向达到不同的着色效果。本发明与现有技术相比具有利用不同激光能流密度和扫描速率对条纹形成的影响，达到不同的着色效，尤其在曲面上制备周期性纳米结构清晰明艳的复杂彩色图案方面优势明显，精度高，操作便捷及经济高效的优点。

Description

一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法
技术领域
本发明涉及激光微纳制造技术领域，尤其是一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法。
背景技术
人们对于激光诱导周期性表面结构已经经历了半个多世纪，其功能化应用领域包括：抗反射、防伪、材料表面着色、修改材料表面浸润性、控制细胞反应、改变摩擦学性能、改变菌落或细胞生长速度等。然而，该技术在二维平面可以选择合适的距离实现周期性条纹无缝隙连接，但是对于三维自由曲面，无缝隙拼接的难度比较大，传统的计算机辅助制造(CAM)软件无法实现。
现有技术采用扫描振镜实现了在自由曲面内分区域操作周期性条纹的功能，但是一个扫描区域内激光入射方向存在不一致的问题，诸多加工参数发生微小变化。偏振器件通常无法实现与激光器、三维运动系统的并行控制，响应速度、自动化程度和精度往往无法同时满足。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，采用算法程序根据样品的几何结构生成控制代码，通过计算机对位移系统的高精度运动控制，实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，在平面和自由曲面材料表面制备周期性纳米结构任意图案，及激光扫描过程中实时操控周期性条纹生成方向，以达到条纹方向变化改变材料表面着色效果的目的，尤其在平面和曲面上制备周期性纳米结构清晰明艳的复杂彩色图案方面优势明显，具有高效率，高精度，操作便捷及经济高效的优点。
实现本发明目的的具体技术方案是：一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特点是自由曲面周期性纳米结构图案与着色具体包括以下步骤：
步骤1：搭建激光同步偏振控制加工系统
采用计算机与光源控制系统和五轴运动系统架构的样品加工和激光同步偏振控制系统，所述光源控制系统包括：纳米激光器以及依次光路连接的镜片系统、半波片、液晶偏振旋转器、动态扩束器和透镜，纳米激光器发出的激光束经依次光路连接的镜片系统、半波片、液晶偏振旋转器，通过动态扩束器和透镜汇聚到样品上。样品固定在样品台上，由样品台、光源控制系统、五轴运动系统和计算机构成了样品加工和激光同步偏振控制系统；所述样品台设于五轴运动系统台上；样品加工过程的控制由计算机执行。
所述光源控制系统、五轴运动系统、样品加工及计算机设于实验台上；所述半波片和液晶偏振旋转器与动态扩束器光路连接；所述计算机分别与纳秒激光器，半波片和液晶的偏振旋转器，动态扩束器以及精密五轴运动系统相连接。
步骤2：加工条件的设置
选用中心波长为532nm，脉宽90ns，重复频率为1-10kHz的纳秒激光器，五轴运动系统参数设置为：X轴精度为1μm，行程为600mm；Y轴精度为1μm，行程为300mm；Z轴精度为1μm，行程为300mm；THETA_A轴精度为3”，THETA_B轴的精度为6”。样品在激光下进行扫描，样品表面条纹规则清晰。
步骤3：制备自由曲面周期性纳米结构图案与着色
ⅰ)将样品置于乙醇中进行超声清洗，并用氮气吹干待用；
ⅱ)二维或三维图形结构设计，在计算机软件中设计好需要在样品表面制备的着色图案；
ⅲ)代码生成和测试，根据机器人运动控制原理开发的算法程序，开发代码生成软件。
ⅳ)误差检测和校准，将步骤ⅲ)的测试结果用于生成误差数据，代码生成软件根据误差数据生成新代码，新代码能够实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，以大幅提高加工精度。
ⅴ)代码执行，运行最终代码时偏振控制器件也可以同步运动。样品表面条纹方向受激光偏振方向变化而变化，激光加工样品直至样品表面图案制备完成，
最后在样品表面得到有着色效果高度规则的周期性纳米结构图案。
所述步骤1中的纳秒激光光源能量密度为7.52J/cm2，沿样品表面的扫描速率为7mm/s；所述五轴运动系统为具有X/Y/Z三个平移运动副与A轴和B轴两个旋转运动副组成的工作台。
所述步骤3中的步骤ⅲ)在数学算法上考虑了工件初始安装位置、姿态和系统尺寸等参量，加工效果不会因初始安装状态不同而发生变化。
所述步骤3中的所述步骤ⅳ)中生成的新代码能够实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，即在激光扫描过程中，实时操控周期性条纹生成方向，以达到不同的着色效果。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)通过控制能流密度和扫描速率的参数，选取最佳能流密度7.52J/cm2和扫描速率7mm/s获得最佳条纹，保证了加工图案的清晰和着色效果。
2)开发的算法程序可以根据样品几何结构生成控制代码，实现对位移系统的高精度控制，实现偏振器件与激光器，三维运动系统的并行控制，保证了高效率和高精度的加工要求。
3)采用同步偏振控制技术，实时操控周期性条纹生成方向，保证了对自由曲面表面颜色的调节。
附图说明
图1为本发明的激光同步偏振控制加工系统示意图；
图2为本发明加工结果示意图；
图3为不同偏振方向对着色效果影响的示意图；
图4为自由曲面上复杂图案颜色效应的示意。
具体实施方式
本发明采用激光源控制系统与五轴运动系统、样品台和计算机整合在实验台上。在光源控制系统中，激光束通过一个镜片系统、半波片和液晶偏振旋转器，再经过动态扩束器和透镜汇聚到样品表面；通过控制激光的能流密度为7.52J/cm2，扫描速率为7mm/s用以制备排列规则，清晰度高的周期性条纹。本发明通过开发的算法程序根据样品的几何结构生成控制代码，通过计算机与激光器、偏振旋转器、动态扩束器和五轴运动系统相连，实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，在激光扫描过程中实时操控周期性条纹生成方向，以达到条纹方向变化改变材料表面着色效果的目的。
本发明按下述步骤进行激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色的：
步骤1：搭建激光同步偏振控制加工系统
参阅附图1，采用计算机9与光源控制系统和五轴运动系统8架构的样品加工和激光同步偏振控制系统，所述光源控制系统包括：纳秒激光源1、镜片系统2以及半波片和液晶偏振旋转器3依次连接的光路，光源控制系统发出的激光束6通过动态扩束器4和透镜5最后汇聚到样品台7上。其中，动态扩束器4与透镜5依次光路连接。样品固定在样品台7上，且由样品台7、光源控制系统、五轴运动系统8和计算机9构成了样品加工和激光同步偏振控制系统；所述样品台7设于五轴运动系统8的工作台上，其样品加工过程的控制由计算机9执行。所述半波片和液晶偏振旋转器3与动态扩束器4光路连接；所述计算机9分别与纳秒激光器1，半波片和液晶的偏振旋转器3、动态扩束器4以及五轴运动系统8相连接。
步骤2：加工条件的设置
选用中心波长为532nm，脉宽为90ns，重复频率为1～10kHz的纳秒激光器，五轴运动系统5的参数设置：X轴精度为1μm，行程为600mm；Y轴精度为1μm，行程为300mm；Z轴精度为1μm，行程为300mm；THETA_A轴精度为3”，THETA_B轴的精度为6”。样品在激光下进行扫描，样品表面条纹规则清晰。
步骤3：制备自由曲面周期性纳米结构图案与着色
ⅰ)将样品置于乙醇中进行超声清洗，并用氮气吹干待用。
ⅱ)二维或三维图形结构设计，在计算机软件中设计好需要在样品表面制备的着色图案。
ⅲ)代码生成和测试：根据机器人运动控制原理，开发代码生成软件。
ⅳ)误差检测和校准：将步骤ⅲ)的测试结果用于生成误差数据，代码生成软件根据误差数据生成新代码，新代码能够实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，以大幅提高加工精度。
ⅴ)代码执行：运行最终代码时偏振控制器件也可以同步运动。样品表面条纹方向受激光偏振方向变化而变化，激光加工样品直至样品表面图案制备完成，
最后在样品表面得到有着色效果高度规则的周期性纳米结构图案。
所述纳秒激光源1的能量密度为7.52J/cm2，沿样品表面的扫描速率为7mm/s；激光束的聚焦光斑直径为24μm；所述五轴运动系统8为具有X/Y/Z三个平移运动副与A轴和B轴两个旋转运动副组成的工作台。
所述步骤ⅲ)在数学算法上考虑了工件初始安装位置、姿态和系统尺寸等参量，加工效果不会因初始安装状态不同而发生变化。
所述步骤ⅳ)中生成的新代码能够实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，即在激光扫描过程中，实时操控周期性条纹生成方向，以达到不同的着色效果。
下面以304不锈钢制备周期性纳米结构图案与着色为例对本发明作进一步详细描述和说明：
实施例1
1)搭建激光同步偏振控制加工系统
参阅附图1，搭建激光同步偏振控制加工系统，使激光束6经镜片系统2、半波片和液晶偏振旋转器3、动态扩束器4和透镜5的光路汇聚到样品台7上。经汇聚后的光斑直径为24μm，能量密度为7.52J/cm2；
2)设置加工条件
控制激光的能流密度为7.52J/cm2，扫描速率为7mm/s，激光束汇聚到样品表面的光斑直径为24μm，保证了形成的条纹排列规则，清晰度高，着色效果好。
3)同步偏振控制技术制备自由曲面上周期性纳米结构图案与着色
将不锈钢样品置于乙醇进行超声清洗30min，并用氮气吹干待用；然后，用激光扫描样品表面下得到周期性纳米结构图案。通过开发的算法程序控制精密的五轴运动系统8与激光偏振器同步改变，在自由曲面的样品表面制备不同方向的周期性条纹的复杂图案与着色。最终得到排列规则，清晰度高，着色效果好的周期性条纹，并在样品表面形成周期性纳米结构图案，条纹的周期约为532nm。
为便于叙述，在附图1中设置了空间直角坐标系，即为样品台7的移动坐标，其中，设定水平方向为X轴、竖直方向为Y轴和垂直方向为Z轴。
本发明基于同步偏振控制技术利用算法程序实现样品位置与激光偏振的同步改变以取代利用扫描振镜加工自由曲面，激光脉冲通过镜片系统2，偏振器3，动态扩束器4和透镜5在样品表面形成激光焦斑。
参阅附图2和图3，本发明利用改善纳米激光器加工过程中的能流密度和扫描速率的参数，并利用开发的算法程序实现样品位置与激光偏振方向同步改变，通过计算机9控制五轴运动系统8和半波片和液晶的偏振旋转器3，改变样品和激光焦点的相对位置，在样品表面制备了规则清晰，着色效果好的周期性纳米结构。
参阅附图1和图2，本发明光源控制系统由纳米激光器1输出的激光束6依次通过镜片系统2、半波片和液晶偏振旋转器3、动态扩束器4和透镜5，汇聚到样品台7上，通过调整纳米激光器1的激光能流密度和扫描速率，选取最佳参数，进而在样品表面形成高度规则和清晰的周期性纳米结构。所述控制纳米激光器1的激光能流密度为7.52J/cm2，扫描速率为7mm/s，激光束6的聚焦光斑直径为24μm，在此参数下用激光扫描样品表面形成排列规则和清晰的周期性纳米结构。
参阅附图1，本发明光源控制系统由纳米激光器1输出的激光束6依次通过镜片系统2、半波片和液晶偏振旋转器3、动态扩束器4和透镜5，汇聚到样品台7上，采用同步偏振控制技术，用计算机9控制五轴运动系统8和半波片和液晶偏振旋转器3，使得汇聚到样片的激光偏振方向与样品位置同步改变。进而改变生成周期性条纹的方向，在样品表面产生不同的着色效果的周期性纳米结构。
参阅附图3，采用往复式大面积扫描，根据激光光斑的直径(24μm)将每次扫描间隔设置为24μm，使用等间隔匀速往复式直线扫描的方法，在激光能流密度为7.52J/cm2，扫描速率为7mm/s的加工参数下在304不锈钢样品表面制作了18个正方形构成的扫描图像，每个正方形内周期性条纹的方向以10°的间隔从0°变化到170°，实现了样品颜色随偏振方向改变而改变。
参阅附图2，将激光能流密度和扫描速度控制在合适的范围内才能有效地诱导清晰度高的周期性条纹，本实施例的激光能流密度为7.52J/cm2时扫描速率为7mm/s。
参阅附图3，不同激光偏振方向对周期性条纹着色效果的影响，进一步体现本发明对周期性纳米结构方向和分布等方面的精确操控能力。
参阅附图4，本发明使用所开发的系统解决方案在不锈钢球体的不同区域上演示了在自由曲面上具体操作周期性条纹的功能。这些区域在不同的激光偏振方向下有不同的条纹方向。但是，激光的入射方向总是和与材料相互作用时所在位置的曲面法线方向一致，除偏振方向外，着色区域内每个位置的加工参数相同。图4展示了曲面不锈钢表面周期性纳米结构的颜色效应，花瓣图案颜色鲜艳，外轮廓清晰，显示了本发明在曲面上精密操控周期性纳米结构的能力。

Claims (6)

1.一种激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特征在于采用算法程序根据样品的几何结构生成控制代码，通过计算机对位移系统的运动控制，实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，在自由曲面的材料表面制备周期性纳米结构图案与表面着色，具体包括以下步骤：
步骤1：搭建激光同步偏振控制加工系统
采用计算机与光源控制系统和五轴运动系统架构的样品加工和激光同步偏振控制系统，所述光源控制系统由纳米激光器与镜片系统以及半波片和液晶偏振旋转器依次连接的光路组成；所述纳米激光器发出的激光束经半波片和液晶偏振旋转器依次连接的光路，通过动态扩束器和透镜汇聚在样品材料的表面；
步骤2：加工条件的设置
选用中心波长为532nm，脉宽为90ns，重复频率为1～10kHz的纳秒激光器，五轴运动系统参数设置为：X轴精度为1μm，行程为600mm；Y轴精度为1μm，行程为300mm；Z轴精度为1μm，行程为300mm；THETA_A轴精度为3”，THETA_B轴的精度为6”，使激光下进行扫描的样品表面条纹规则清晰；
步骤3：制备自由曲面周期性纳米结构图案与着色
ⅰ)将样品置于乙醇中进行超声清洗，并用氮气吹干待用；
ⅱ)采用二维或三维图形结构设计，在计算机软件中设计好需要在样品表面制备的着色图案；
ⅲ)利用机器人运动控制原理开发的算法程序，根据样品几何结构生成控制代码的软件和测试；
ⅳ)将步骤ⅲ)的测试结果用于生成误差数据，对代码生成软件进行误差检测和校准，根据误差数据生成样品位置与激光偏振方向同步改变的新代码；
ⅴ)对样品执行新代码进行激光加工，直至样品表面图案制备完成，得到有着色效果高度规则的周期性纳米结构图案。
2.根据权利要求1所述激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特征在于所述计算机分别与纳秒激光器、半波片和液晶的偏振旋转器、动态扩束器和五轴运动系统相连接。
3.根据权利要求1所述激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特征在于所述五轴运动系统上设有样品台，且由计算机控制样品的加工过程。
4.根据权利要求1所述激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特征在于所述纳米激光器的能量密度为7.52J/cm2，沿样品表面的扫描速率为7mm/s。
5.根据权利要求1所述激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特征在于所述五轴运动系统为具有X/Y/Z三个平移运动副与A轴和B轴两个旋转运动副组成的工作台。
6.根据权利要求1所述激光诱导自由曲面周期性纳米结构图案与着色方法，其特征在于所述执行生成的新代码时偏振控制器件也可以同步运动，实现样品位置与激光偏振方向的同步改变，即在激光扫描过程中，实时操控周期性条纹生成方向，以达到不同的着色效果。
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