CN113118632A - 基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，利用空间光整形器将高斯光场变成不同形状与能量分布光场，加工的得到可使液体单向流动的仿生功能性表面，属于飞秒激光应用技术领域。将飞秒激光光场从高斯分布转化为三维仿生光场分布，因此可以在多种固体材料上实现仿生各向异性结构加工，所述各向异性仿生结构可以控制液体流动的方向，利用空间光调制器(SLM)对高斯光束进行相位变换，可以控制飞秒激光输出能量的三维分布，得到不同的各向异性仿生空间光场。所述各向异性仿生结构包括单个结构的尖锐三角形边缘、高度梯度变化和连续一致功能性表面。研究结果可以进一步扩展飞秒激光微加工在雾收集、化学反应控制等领域的应用。

Description

基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法
技术领域
本发明涉及了一种基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，利用空间光整形器将高斯光场变成不同形状与能量分布光场，加工可使液体单向流动的仿生功能性表面，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
控制材料表面微纳结构实现液体的扩散在广泛应用中具有重要的意义，不同材料的二维平面与三维曲面上实现自发液体传输表面的柔性制造是一项具有挑战性的任务。液体流动是自然界中最常见的现象，单向的液体扩散面可以克服重力和温度梯度传递液体的问题。因此，单向液体扩散表面优越的性能使其在传热传质、多相集水、液体转移、微流体、生物医学、电子冷却等领域具有广阔的应用前景。自然界中的结构激发了制造单向液体扩散表面的新方法，这些结构可以通过表面能梯度、毛细管力梯度和拉普拉斯压力梯度实现对液体驱动。
表面活性和微纳多级结构是决定功能性表面性质的两个主要因素，特别是微纳多级结构可以赋予材料表面热电磁的性质和独特的光学与机械特性。此外，多级结构对于仿生材料表面在降低摩擦阻力、提供新能源、实现微流体可控输运等方面具有重要意义。一些生物表面结构已经被报道可以实现液体的单方向流动，这些结构包括猪笼草、蝴蝶翅膀和沙漠甲虫等生物表面。加工功能性仿生表面控制液体单向运动的各种方法已经发展起来，例如，在文章“Hanmin Jang,Heung Soo Lee,Kwan-Soo Lee,et al.Facile fabricationof superomniphobic polymer hierarchical structures for directional dropletmovement.ACS Appl.Mater Inter,2017,9,9213-9220.”中，作者制备了具有纳米尺度凹窝的结构，可以控制液滴的方向运动，利用不同的液滴在不同的聚合物材料上可以获得不同的流动效果。在文章“Chuxin Li,Ning Li,Xinshi Zhang.et.al.Uni-DirectionalTransportation on Peristome-Mimetic Surfaces for Completely WettingLiquids.Angew.Chem.2016,55,14988–14992.”中，作者通过UV光刻制作了一个具有锋利边缘的表面，其中使用掩模与不同倾角的紫外光结合来制作各种表面。但是目前的加工方法有以下一些局限性：(1)因为需要掩模进行加工，所以研究多种仿生结构的加工成本较高。(2)受到UV固化、高分辨率立体光刻、微压印等加工方式的限制，被加工材料多为有机材料，因此加工所得器件的应用环境不广泛。(3)难以直接在空间曲面上加工三维可调结构。这些缺点极大地限制了单向液体扩散技术的实际应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种仿生单向液体扩散表面的柔性三维无掩模制造方法。该方法利用空间光相位整形的方法，将飞秒激光光场从高斯分布转化为三维仿生光场分布，因此可以在多种固体材料上实现仿生各向异性结构加工，所述各向异性仿生结构可以控制液体流动的方向，利用空间光调制器(SLM)对高斯光束进行相位变换，可以控制飞秒激光输出能量的三维分布，得到不同的各向异性仿生空间光场。所述各向异性仿生结构包括单个结构的尖锐三角形边缘、高度梯度变化和连续一致功能性表面。研究结果可以进一步扩展飞秒激光微加工在雾收集、化学反应控制等领域的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
基于飞秒激光空间整形加工的液体单向流动表面，由多个结构单元构成，每个单元的尖角部分与下一单元连接；所述单元为带有尖角的三角形边缘结构，且结构内部具有梯度变化；
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法：在灰度图上赋予渐变灰度值，通过GS算法得到能量渐变仿生光斑的全息相位图；再将所述全息相位图加载到空间光整形器上，激光经过空间光整形器后聚焦在待加工物体表面，加工出单向流动特性的结构单元；
所述灰度图为满足单向流动特性的形状；
所述灰度图为拥有不同偏心结构的仿生各向异性结构；
所述灰度图的偏心度可控，较大的偏心度具有更好地流动特性，偏心度是由灰度图的形状和灰度值决定的；
激光经过空间光整形器后通过物镜聚焦在待加工物体表面；
通过加载不同的仿生全息相位图，以及调整飞秒激光的加工参数和加工路径，得到满足预设需求的各向异性流动表面；
所述图案的渐变灰度值是指灰度值从0到255中选取任意区间；
飞秒激光加工的脉冲数为60个脉冲、扫描速度为2000μm/s、加工所需物镜20X。
加工上述结构的装置，包括：飞秒激光器、空间光整形器、机械光开关、4f聚焦透镜、4f扩束透镜、超快反射镜、聚焦物镜、待加工样品和CCD动态成像单元；钛蓝宝石飞秒激光器发出的激光光束进入空间光整形器，通过空间光整形器液晶屏反射，经由机械光开关与4f系统搬运，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CCD动态成像单元发出的照明光经过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，到达CCD动态成像单元，计算机连接机械光开关与精密电控平移台，控制机械光开关的打开与关闭时间以调节单个仿生结构加工脉冲数，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。
有益效果
1、本发明的基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，相较于其他的加工方式，飞秒激光加工可以多种固体材料上形成仿生各向异性结构，扩大应用范围。
2、本发明的基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，加工过程中同步得到大量孔柱等内部毛细结构，有利于对液体的吸收，加速液体流动。
3、本发明的基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，加工过程简单无需掩膜，结果可靠，可实现任意图案化仿生结构阵列加工并可灵活调节加工效果。
附图说明
图1为飞秒激光空间整形加工系统光路示意图；
图2为一种基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法的整形光斑能量分布示意图；
图3为一种基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法的加工结构示意图。其中，图a为功能性表面结构阵列图；图b为单个结构截面图；图c为图b红圈中结构放大图；
其中，1-飞秒激光器、2-空间光整形器、3-机械光开关、4-4f聚焦透镜、5-4f扩束透镜、6-超快反射镜、7-聚焦物镜、8-待加工样品、9-CCD动态成像单元。
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空间整形加工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硅，尺寸为10mm×10mm×0.5mm。
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面，由多个结构单元构成，每个单元的尖角部分与下一单元连接；所述单元为带有尖角的三角形边缘结构，且结构内部具有梯度变化；
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法：包括如下步骤：
步骤一、如图1所示，飞秒激光系统利用空间光整形器产生不同各向异性仿生空间光场，通过控制所设计仿生梯度光场进行加工。飞秒激光空间光整形加工系统包括飞秒激光器1、空间光整形器2、机械光开关3、4f聚焦透镜4、4f扩束透镜5、超快反射镜6、聚焦物镜7、待加工样品8、CCD动态成像单元9；飞秒激光器1发出的激光光束进入空间光整形器2，通过空间光整形器液晶屏反射，经由机械光开关3、4f聚焦透镜4与4f扩束透镜5搬运，随后被超快反射镜6反射，经聚焦物镜7聚焦到位于精密电控平移台上的待加工样品8，位于最上方的CCD动态成像单元9发出的照明光经过反射镜6和超快聚焦物镜7照到待加工样品8，进行反射，反射后的照明光再经过聚焦物镜7和超快反射镜6返回，到达CCD动态成像单元9，计算机连接机械光开关3与精密电控平移台，控制机械光开关3的打开与关闭时间以调节单个仿生结构加工脉冲数，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、如图2所示，设计的具有仿生藓根形状和渐变灰度10:5的灰度图，使用GS算法生成对应的相位图；
步骤三、将步骤二中得到的相位图加载进空间光整形器2，飞秒激光通过空间光整形器2的液晶屏反射经物镜聚焦，调整相关元器件，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，选择合适加工速度与能量对材料表面进行加工。
步骤五、如图3所示，图3(a)为功能性表面结构阵列图，功能性表面结构由许多单元结构首尾相接组合而成，可以让水通过阶梯结构进行传输；图3(b)为单个结构截面图，呈现为非对称偏心结构，结构内部具有微米孔隙；图3(c)为图3(b)红圈中结构放大图，可以看出内部具有很多微孔与不规则结构，这些结构可以增加对水的吸收。得到结果使用酒精超声清洗加工表面，并将0.1-1μL液滴滴在加工表面，对液滴流动效果进行流动性测试。在滴落0.5μL和1μL液滴实验中，测试流动长度分别约为5.75和16mm。其中0.5μL液滴可以在440ms内流动达到3.17mm，在1040ms内可以流动达到4.25mm。
通过本发明的实施案例可以看出，基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，加工过程简单，结果可靠，可实现任意图案化加工并可灵活调节加工效果。
实施例2
本实施例公开的一种基于电子动态调控空间整形加工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硅，尺寸为10mm×10mm×0.5mm。
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面，由多个结构单元构成，每个单元的尖角部分与下一单元连接；所述单元为带有尖角的三角形边缘结构，且结构内部具有梯度变化；
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法：包括如下步骤：
步骤一、如图1所示，飞秒激光系统利用空间光整形器产生不同各向异性仿生空间光场，通过控制所设计仿生梯度光场进行加工。
步骤二、如图2所示，设计的具有仿生藓根形状和渐变灰度10:1的灰度图，使用GS算法生成对应的相位图；
步骤三、将步骤二中得到的相位图加载进空间光整形器2，飞秒激光通过空间光整形器2的液晶屏反射经物镜聚焦，调整相关元器件，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，选择合适加工速度与能量对材料表面进行加工。
步骤五、如图3所示，图3(a)为功能性表面结构阵列图，功能性表面结构由许多单元结构首尾相接组合而成，可以让水通过阶梯结构进行传输；图3(b)为单个结构截面图，呈现为非对称偏心结构，结构内部具有微米孔隙；图3(c)为图3(b)红圈中结构放大图，可以看出内部具有很多微孔与不规则结构，这些结构可以增加对水的吸收。得到结果使用酒精超声清洗加工表面，并将0.1-1μL液滴滴在加工表面，对液滴流动效果进行测试。
通过本发明的实施案例可以看出，基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，加工过程简单，结果可靠，可实现任意图案化加工并可灵活调节加工效果。
实施例3
本实施例公开的一种基于电子动态调控空间整形加工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硅，尺寸为10mm×10mm×0.5mm。
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面，由多个结构单元构成，每个单元的尖角部分与下一单元连接；所述单元为带有尖角的三角形边缘结构，且结构内部具有梯度变化；
基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法：包括如下步骤：
步骤一、如图1所示，飞秒激光系统利用空间光整形器产生不同各向异性仿生空间光场，通过控制所设计仿生梯度光场进行加工。
步骤二、如图2所示，设计的具有仿生猪笼草叶片形状和渐变灰度10:1的灰度图，使用GS算法生成对应的相位图；
步骤三、将步骤二中得到的相位图加载进空间光整形器2，飞秒激光通过空间光整形器2的液晶屏反射经物镜聚焦，调整相关元器件，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，选择合适加工速度与能量对材料表面进行加工。
步骤五、如图3所示，图3(a)为功能性表面结构阵列图，功能性表面结构由许多单元结构首尾相接组合而成，可以让水通过阶梯结构进行传输；图3(b)为单个结构截面图，呈现为非对称偏心结构，结构内部具有微米孔隙；图3(c)为图3(b)红圈中结构放大图，可以看出内部具有很多微孔与不规则结构，这些结构可以增加对水的吸收。得到结果使用酒精超声清洗加工表面，并将0.1-1μL液滴滴在加工表面，对液滴流动效果进行测试。
通过本发明的实施案例可以看出，基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，加工过程简单，结果可靠，可实现任意图案化加工并可灵活调节加工效果。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面，其特征在于：由多个结构单元构成，每个单元的尖角部分与下一单元连接；所述单元为带有尖角的三角形边缘结构，且结构内部具有梯度变化。
2.基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：在灰度图上赋予渐变灰度值，通过GS算法得到能量渐变仿生光斑的全息相位图；再将所述全息相位图加载到空间光整形器上，激光经过空间光整形器后聚焦在待加工物体表面，加工出单向流动特性的结构单元。
3.如权利要求2所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：所述灰度图为满足单向流动特性的形状。
4.如权利要求2或3所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：所述灰度图为拥有不同偏心结构的仿生各向异性结构。
5.如权利要求4所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：所述灰度图的偏心度可控，较大的偏心度具有更好地流动特性，偏心度是由灰度图的形状和灰度值决定的。
6.如权利要求2所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：激光经过空间光整形器后通过物镜聚焦在待加工物体表面。
7.如权利要求2所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：通过加载不同的仿生全息相位图，以及调整飞秒激光的加工参数和加工路径，得到满足预设需求的各向异性流动表面。
8.如权利要求2所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：所述图案的渐变灰度值是指灰度值从0到255中选取任意区间。
9.如权利要求2所述基于电子动态调控空间整形加工单向流动表面的方法，其特征在于：飞秒激光加工的脉冲数为60个脉冲、扫描速度为2000μm/s、加工所需物镜20X。
10.加工如权利要求1所述单向流动表面的装置，其特征在于：包括：飞秒激光器、空间光整形器、机械光开关、4f聚焦透镜、4f扩束透镜、超快反射镜、聚焦物镜、待加工样品和CCD动态成像单元；钛蓝宝石飞秒激光器发出的激光光束进入空间光整形器，通过空间光整形器液晶屏反射，经由机械光开关与4f系统搬运，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CCD动态成像单元发出的照明光经过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，到达CCD动态成像单元，计算机连接机械光开关与精密电控平移台，控制机械光开关的打开与关闭时间以调节单个仿生结构加工脉冲数，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。
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