CN112404705A

CN112404705A - 一种飞秒激光微纳加工装置及其使用方法与应用

Info

Publication number: CN112404705A
Application number: CN202011190015.0A
Authority: CN
Inventors: 郝作强; 李东伟; 张兰芝; 常峻巍; 蔡阳健
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本公开涉及飞秒激光加工领域，具体提供一种飞秒激光微纳加工装置及其使用方法与应用。飞秒激光微纳加工装置包括飞秒激光器、均匀光丝阵列产生系统，三维移动控制装置，所述三维移动控制装置上设置待加工样品固定装置；所述均匀光丝阵列产生系统包括光束匀化装置、微透镜阵列；所述光束匀化装置与飞秒激光器之间的距离能够保证飞秒激光器发射出的飞秒激光呈平行状；所述微透镜阵列排布方向与三维移动控制装置的扫描方向呈一定角度，所述角度能够保证光丝阵列的多加工点可以并排扫描加工。解决现有技术中飞秒激光在复杂曲面上诱导微纳结构，采用单丝往复扫描的方式，加工效率低，耗时长，对设备精度要求高，机器损耗大的问题。

Description

一种飞秒激光微纳加工装置及其使用方法与应用

技术领域

本公开涉及飞秒激光加工领域，具体提供一种飞秒激光微纳加工装置及其使用方法与应用。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

近年来，伴随着超短超强脉冲激光器的出现，其脉冲宽度仅有十几到几百飞秒，经光学聚焦后，就可以得到10¹⁴W/cm²以上的功率密度，高功率光作用于材料上时，受作用材料瞬间气化，对加工区域并没有热影响，所以飞秒激光加工属于一种冷加工技术，在不同条件下制备的微纳结构也不相同，飞秒激光加工技术已经广泛应用于太阳能转化，金属着色，特殊材料的制备如隐形材料，周期性结构，疏水性和亲水性材料等。

在早期利用超短脉冲仅是将在材料放置在焦平面上，飞秒激光直接聚焦加工，焦点光斑大小很难精确的控制，而飞秒激光在材料表面制形成纳结构又对光斑大小有很高的要求，并且加工材料的形貌受到很大局限，要完成复杂的非平面加工，加工成本则大大增加。

现有技术中飞秒激光在非线性介质中形成的细丝便可以解决这些问题，飞秒激光脉冲在非线性效应作用下形成等离子细丝，所形成的等离子细丝直径约为100-200um之间，丝内的电子密度大约为10¹⁴/cm³到10¹⁸/cm³，所形成的细丝的长度超过几个瑞利长度。虽然细丝加工目前已经被报道，但发明人发现，利用单一细丝来完成大面积微纳加工需要几十小时到上百小时，这不仅对飞秒激光的稳定性提出了较高的要求，而且大功率激光器长时间连续运行也对工作物质的使用寿命有影响，这样完成微纳加工成本较高。

发明内容

针对现有技术中飞秒激光在大面积复杂曲面上诱导微纳结构，采用单丝往复扫描的方式，加工效率低，耗时长，对设备精度要求高，机器损耗大的问题。

本公开提出一种飞秒激光微纳加工装置及其使用方法与应用，飞秒激光首先通过光束匀化装置产生强度均匀的平顶光束，后经过微透镜阵列产生均匀分布的光丝阵列，利用匀化的光丝阵列可在介质表面产生n个加工点，光丝阵列排布方向与待加工样品的移动扫描方向呈一定夹角进行扫描加工，这样可以大幅度提升表面微加工加工速率。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种飞秒激光微纳加工装置，包括飞秒激光器、均匀光丝阵列产生系统，三维移动控制装置，所述三维移动控制装置上放置待加工样品；

所述均匀光丝阵列产生系统包括光束匀化装置、微透镜阵列；

所述光束匀化装置与飞秒激光器之间的距离能够保证飞秒激光器发射出的飞秒激光呈平行状。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种飞秒激光微纳加工方法，包括如下步骤：飞秒激光经光束匀化后成为多个平行的光丝，所述光丝阵列排布方向与待加工样品的移动扫描方向呈一定夹角，只需从一侧扫向另一侧，即可完成大面积填充，在待加工材料表面形成微纳米结构。

本公开一个或一些实施方式中，提供上述飞秒激光微纳加工装置或上述飞秒激光微纳加工方法加工得到的产品。

本公开一个或一些实施方式中，提供上述飞秒激光微纳加工装置或上述飞秒激光微纳加工方法在提高飞秒激光微纳加工效率中的应用。

上述技术方案中的一个或一些技术方案具有如下优点或有益效果：

1)本公开中采用飞秒激光脉冲产生的均匀的光丝阵列，利用产生的均匀光丝阵列提高表面微纳结构制备速率，在相同时间内，相比于单丝加工技术，利用均匀的光丝阵列加工速率提高了百倍。

2)本公开提供了一种飞秒激光微纳加工方法，该方法利用fs到ps量级的超短脉冲经过光束匀化装置和微透镜的组合形成光丝阵列，利用光丝阵列作用到材料表面，形成多个加工点，同时利用多个加工点扫描，完成介质表面的微纳结构加工，从而大幅度提升光丝的加工速率，为激光加工广泛的应用提供了基础。

3)本公开使阵列排布方向与扫描方向呈一定角度，多条光丝同时扫描，只需从一侧扫向另一侧，即可完成大面积填充，只需提前调整好光丝的扫描间距即可。

附图说明

构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为实施例2制备得到的材料图。

图2为实施例1装置结构图。

图3为实施例1或2原理图。

图4为实施例2流程图。

其中：1.飞秒激光器；2.均匀光丝阵列产生系统；22.光束匀化装置；23.微透镜阵列；24.光丝阵列截面；3.待加工样品；4.三维移动控制装置；5.计算机系统。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中飞秒激光在大面积复杂曲面上诱导微纳结构，采用单丝往复扫描的方式，加工效率低，耗时长，对设备精度要求高，机器损耗大的问题。本公开提出了均匀光丝阵列提高表面微纳结构加工速率的方法。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种飞秒激光微纳加工装置，包括飞秒激光器、均匀光丝阵列产生系统，三维移动控制装置，所述三维移动控制装置上设置待加工样品固定装置；

飞秒激光可以诱导材料表面产生微纳结构，现有技术中采用单丝扫描的方式，通常光丝阵列中的点为100μm，每根光丝也为100μm，光丝在光丝阵列中往复扫描，每次扫描错开60μm，直至全部填充结束，对光丝每次扫描的精度要求较高。本公开将扫描方向与光丝阵列之间形成一定夹角(如图3b所示，光丝阵列在待加工样品上产生的圆点阵列与扫描方向之间的夹角)，多条光丝同时扫描，只需从一侧扫向另一侧，即可完成大面积的填充，只需提前调整好光丝的间距即可。当然，由均匀光丝阵列产生系统调整光丝间距，具体的，调整光束匀化装置中的聚焦透镜与微透镜阵列之间的距离，来调整光丝间距。斜向扫描的光丝填充均匀完整，从图1中材料表面的形貌图也很好的佐证了这一点。

优选的，所述三维移动控制装置由计算机控制系统控制，三维移动装置能够沿飞秒激光器、均匀光丝阵列装置连接的平行线移动。

扫描时，均匀光丝阵列产生系统2，即光丝与阵列相对静止，而待加工材料3由三维移动装置4控制移动，实现扫描。且三维移动装置4只需沿飞秒激光器1、均匀光丝阵列装置2连接的平行线移动，对三维移动装置4的要求较低，普通的三维移动装置4，如丝杠，导轨等，均可实现。

本公开对微透镜阵列不做限定，只要能够产生n*n均匀阵列的装置均可实现，优选为相位板、网格或锥透镜阵列。

优选的，飞秒激光器采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量10mJ，重复频率1kHz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种飞秒激光微纳加工方法，包括如下步骤：飞秒激光经光束匀化后成为多个平行的光丝，所述光丝阵列排布方向与扫描方向成一夹角，多条光丝同时扫描，只需从一侧扫向另一侧，即可完成大面积的填充，在待加工材料表面形成微纳米结构。

上述已经提供了一种飞秒激光微纳加工装置，应当理解的是，只要能够实现光丝阵列加工点进行并排扫描的装置均可，并非仅局限于上述装置。同样的，利用三维移动装置4移动待加工材料3，实现扫描，也是为了工艺的方便，事实上，移动均匀光丝阵列产生系统2也可以实现扫描。

该方法利用fs到ps量级的超短脉冲经过光束匀化装置和微透镜的组合形成光丝阵列，利用光丝阵列作用到待加工材料表面，形成多个加工点，同时利用多个加工点完成在介质表面的微纳结构加工，从而大幅度提升光丝的加工速率，为激光加工广泛的应用提供了基础。

优选的，装置自检；自检正常，则开启飞秒激光器，产生飞秒激光脉冲；在均匀光丝阵列产生系统中形成均匀光丝丝阵列；将待加工样品固定在三维移动控制系统上；通过运行计算机系统，控制光丝在待加工样品上自动扫描；扫描后，结束。

优选的，所述光丝阵列为n*n的矩形阵列。若非方形阵列，理论上也可实现，只是会对光丝造成浪费。

从图1来看，本公开得到的产品填充良好，微纳结构分布均匀。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种飞秒激光微纳加工装置，包括飞秒激光器1、均匀光丝阵列产生系统2，三维移动控制装置4，所述三维移动控制装置上设置待加工样品3；

如图3所示，所述均匀光丝阵列产生系统2包括光束匀化装置21、微透镜阵列22；所述光束匀化装置21与飞秒激光器1之间的距离能够保证飞秒激光器发射出的飞秒激光呈平行状；所述微透镜阵列与扫描方向呈一定角度，所述角度能够保证光丝阵列的多加工点可以并排扫描加工。飞秒激光经过光束匀化装置21和微透镜阵列22组成的均匀光丝阵列产生系统2，形成数目为n*n的光丝阵列。

所述三维移动控制装置4由计算机控制系统5控制，三维移动装置4能够沿飞秒激光器1、均匀光丝阵列装置2连接的平行线和垂直方向移动。

飞秒激光器1采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量10mJ，重复频率1kHz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统；

将待加工样品3固定在三维移动控制装置4上，运行计算机系统5控制程序。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种飞秒激光微纳加工系统，

结合硬件操作流程并说明本实施例的操作步骤如下；

执行步骤1，开始，装置自检；自检正常；执行步骤2；

执行步骤2，开启飞秒激光器1，产生飞秒激光脉冲；

执行步骤3，开启均匀光丝阵列产生系统2，形成均匀光丝丝阵列；

执行步骤4，将待加工样品固定在三维移动控制装置4上；

执行步骤5，通过运行计算机系统5，控制光丝在待加工样品上自动扫描；

执行步骤6，结束。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种飞秒激光微纳加工装置，其特征在于，包括飞秒激光器、均匀光丝阵列产生系统，三维移动控制装置，所述三维移动控制装置上设置待加工样品固定装置；

所述光束匀化装置与飞秒激光器之间的距离能够保证飞秒激光器发射出的飞秒激光呈平行状；所述微透镜阵列与扫描方向呈一定角度，所述角度能够保证光丝阵列的多加工点并排扫描加工。

2.如权利要求1所述的飞秒激光微纳加工装置，其特征在于，所述三维移动控制装置由计算机控制系统控制，三维移动装置能够沿飞秒激光器、均匀光丝阵列装置连接的平行线和垂直方向移动。

3.如权利要求1所述的飞秒激光微纳加工装置，其特征在于，所述微透镜阵列为相位板、网格或锥透镜阵列。

4.如权利要求1所述的飞秒激光微纳加工装置，其特征在于，飞秒激光器采用的是中心波长800nm、脉宽50fs、脉冲能量10mJ，重复频率1kHz的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

5.一种飞秒激光微纳加工方法，其特征在于，包括如下步骤：飞秒激光经光束匀化后成为多个平行的光丝，所述光丝阵列排布方向与待加工样品的移动扫描方向呈一定夹角，一次扫描后，在待加工材料表面形成微纳米结构。

6.如权利要求5所述的飞秒激光微纳加工方法，其特征在于，所述微纳米阵列相对于扫描方向呈一定角度，所述待加工材料沿光丝的垂直方向移动。

7.如权利要求5所述的飞秒激光微纳加工方法，其特征在于，装置自检；自检正常，则开启飞秒激光器，产生飞秒激光脉冲；在均匀光丝阵列产生系统中形成均匀光丝丝阵列；将待加工样品固定在三维移动控制系统上；通过运行计算机系统，控制光丝在待加工样品上自动扫描；一次扫描后，结束。

8.如权利要求5所述的飞秒激光微纳加工方法，其特征在于，所述光丝阵列为n*n的矩形阵列。

9.使用权利要求1-4任一项所述的飞秒激光微纳加工装置或权利要求5-8任一项飞秒激光微纳加工方法加工得到的产品。

10.权利要求1-4任一项所述的飞秒激光微纳加工装置或权利要求5-8任一项飞秒激光微纳加工方法在提高飞秒激光微纳加工效率中的应用。