CN113511625B - 一种胖瘦条纹结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种胖瘦条纹结构及其制备方法，该制备方法，包括：在金膜样品的金膜上表面覆盖一玻片，将金膜样品放置在移动平台，飞秒激光微加工系统输出的飞秒脉冲激光聚焦到金膜样品，控制移动平台在X‑Y‑Z轴三个方向移动，进行二维移动线扫描，在金膜上制备微纳周期结构，即“胖瘦条纹”结构。本发明通过控制玻片与金膜的接触夹角可以诱导出不同角度的倾斜分布的胖瘦周期条纹，本发明的加工方法具有方便、快速、人为可控等特点。

Description

一种胖瘦条纹结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳加工技术领域，具体涉及一种胖瘦条纹结构及其制备方法。
背景技术
微纳结构在材料的性能调控方面有着重要应用，如较高的表面化学活性、气体吸附优势和小尺寸，因此需要制备具有更密集，高精度的细微结构。传统的机械加工已经不能满足现代化、微型化生产的需要。激光精密加工技术与传统的加工技术相比较显示了许多独特的优越性，在加工材料时不仅提高加工效率，节省大量材料，提高产品质量，而且在设计方案上更新，工艺流程改进，从而赋予产品更高的附加值。现在已经在金属、半导体、透明材料、聚合物等表面利用飞秒激光诱导周期纳米条纹、网格、颗粒阵列等结构，这结构在材料表面性能调控方面的应用有超疏水表面、超亲水表面、吸收与发光增强、金属表面着色、亚波长增透等。
现有的微纳结构加工方法有，电解加工、电火花加工、等离子弧刻蚀、机械刻划、化学刻蚀，光刻技术等这些技术领域比较成熟，但操作繁琐，工艺流程相对复杂。有些只能对特定的材料，有些对材料加工精度和质量有影响，甚至有些技术还需借助精密掩膜和特殊成分材料。
具体缺点：①光化学加工只适用于易腐蚀材料，电解加工只能加工导电材料，等离子加工难以加工某些高熔点的材料。②从加工周期来看，电火花加工的电极精度要求高、损耗大，加工周期较长；电解加工的加工型腔、型面的阴极模设计工作量大，制造周期也很长；光化学加工工序复杂。③电火花加工、等离子弧加工，其热影响区和变形很小，因而难以加工十分微小的零部件。
因此，行业内急需探索一种方便、快速、人为可控的微米级结构的激光精密激光加工方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种胖瘦条纹结构及其制备方法，该制备方法能在金纳米膜上快速制备出规律分布的微米级条纹结构。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种胖瘦条纹结构，包括：在金膜表面分布有竖直条纹和与水平方向呈预设夹角的等间距斜条纹相嵌套的胖瘦条纹结构。
优选地，包括：竖直方向分布间距为50μm的周期结构条纹，在与水平方向呈18°的方向上分布有另一周期的明暗相间的斜条纹，斜条纹的周期为194μm，竖直方向的周期结构条纹和与水平方向呈18°的方向上的斜条纹嵌套形成“胖瘦条纹”。
一种胖瘦条纹结构的制备方法，包括：在金膜样品的金膜上表面覆盖一玻片，将金膜样品放置在三维精密移动平台，飞秒激光微加工系统输出的飞秒脉冲激光聚焦到金膜样品，控制三维精密移动平台在X-Y-Z轴三个方向移动，进行二维移动线扫描，在金膜上制备微纳周期结构，即“胖瘦条纹”结构。
优选地，飞秒激光微加工系统包括：飞秒激光放大级、半波片、格兰棱镜、电闸阀、反射镜、聚焦透镜、电脑；电脑和飞秒激光放大级、电闸阀均连接；飞秒激光放大级输出飞秒脉冲激光，飞秒脉冲激光依次经过半波片、格兰棱镜、电闸阀后经反射镜发射，最终经过聚焦透镜后照射在金膜样品上。
优选地，半波片与格兰棱镜连续调节飞秒激光放大级输出飞秒脉冲激光的能量。
优选地，金膜样品的衬底为K9玻璃。
优选地，飞秒脉冲激光的中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为1KHz。
优选地，玻片的厚度为18um。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
本发明利用飞秒激光在覆盖玻片的金纳米膜上的可控线扫描微加工，在金膜表面诱导独特分布的条纹结构－－周期由扫描间距控制、竖直条纹和与水平方向呈一定夹角的等间距斜条纹相嵌套的胖瘦条纹结构。通过控制玻片与金膜的接触夹角可以诱导出不同角度的倾斜分布的胖瘦周期条纹，这种方法可以在微纳结构领域制造出更多新型的微纳结构。激光烧蚀玻片覆盖的衬底表面的微纳加工方法也称为激光诱导后向转移技术，在利用这种方法制备材料表面微纳结构的方法时，考虑存在的干涉现象对微纳结构的影响。因此，不同于激光直接在样品上加工方法，在样品上方覆盖一块玻片，玻片与样品间以微小夹角形成空气劈尖。可控线扫描微加工和形成的空气劈尖干涉结合加工出新型的独特微纳周期结构，这种微纳周期结构的倾斜分布可以通过劈尖微小夹角θ人为控制，即该加工方法具有方便、快速、人为可控等特点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本实施例的飞秒激光微加工系统的结构图。
图2为本实施例在金膜样品上未覆盖玻片时制备结构的示意图。
图3为本实施例在金膜样品上覆盖玻片时制备“胖瘦条纹”结构的示意图。
图4为本实施例的金膜样品上未覆盖玻片时制备的结构在光学显微镜的结构图。
图5为本实施例的金膜样品上覆盖玻片时制备的“胖瘦条纹”结构在光学显微镜下的结构图。
其中，1-金膜样品，2-三维精密移动平台，3-飞秒激光放大级，4-半波片，5-格兰棱镜，6-电闸阀，7-反射镜，8-聚焦透镜，9-电脑，11-金膜，12-K9玻璃衬底，13-波片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种胖瘦条纹结构的制备方法，包括：
第1步，金薄膜样品的制作和固定
将50nm厚度的金膜(K9玻璃衬底)样品固定在三维精密移动位移平台上，通过计算机精确地控制样品的移动。选择2种不同的加工方案：a)空气中金膜表面的加工；b)在金膜上方覆盖一片厚度为18um的玻片。比较两种方案的加工图案的差异。
第2步，激光焦点在样品表面的确定
选择中心波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1KHz，功率为8mw的飞秒脉冲激光，经过透镜聚焦在样品表面。在飞秒激光能够聚焦在金膜样品表面的情况下，通过控制三维精密移动平台X-Y轴移动进行二维移动线扫描，在金膜上制备微纳周期结构。
飞秒激光微加工的装置图如图1所示。电脑、飞秒激光放大级、电子闸阀、半玻片、格兰棱镜构成激光光源的控制系统。飞秒激光放大级输出中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为1KHz的飞秒脉冲激光，经过透镜聚焦后照射在金膜样品表面。通过半波片与格兰棱镜组合可以连续调节激光输出的能量。将样品放置在三维微位移平台上，电脑控制三维精密移动平台的在X-Y-Z轴三个方向移动，从而实现样品表面的飞秒激光线扫描加工。
图2是开放环境(空气中)加工方案(金膜样品上未覆盖玻片时)，激光直接聚焦在金膜上，控制X-Y轴平面移动进行线扫描微加工,激光功率为8mw，扫描速率为1mm/s，扫描间隔为50μm。
图3是束缚环境加工方案，即在金膜上方覆盖一玻片，加工参数保持不变。
图4和5分别是空气开放环境和上盖玻片的束缚环境下激光微加工金膜的光学显微镜(5倍)图片。可以发现两图之间的微结构有很大的差异，图4中显示的是竖直方向均匀分布的间距为50μm的周期结构条纹，条纹各处的宽度几乎相同；而图5中除了有竖直方向分布的间距为50μm的周期结构条纹，并且在与水平方向呈18°的方向上分布有另一大周期的明暗相间的斜条纹，其周期约为194μm。两种周期结构的嵌套导致“胖瘦条纹”的形成，瘦条纹较胖条纹处烧蚀明显，这是由于覆盖薄片的下表面和金膜上表面之间的反射激光之间的干涉导致的。
“胖瘦条纹”结构形成的原理为：由于金膜与覆盖在其上的玻片之间的微小间隙并不是等间距的，如玻片厚度的不均匀、金膜衬底的厚度不均匀以及玻片放置的不对称都会导致类似劈尖状的空气隙形成，形成很小的夹角，夹角间隙中形成一层薄的空气劈尖，用单色光从上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，在金膜表面形成明暗相间的干涉条纹。当三维精密移动平台在X-Y轴平面有序移动时，明条纹对应的加工区域槽宽较大，暗条纹对应的加工区域曹宽相对较小，因此形成那种独特的胖瘦条纹相间的微纳周期结构，而且这种微纳周期结构的倾斜分布可以通过劈尖微小夹角θ人为控制。
综上，本发明利用飞秒激光诱导后向转移微纳加工技术，在金纳米膜表面一次性加工出两种周期尺寸和分布的条纹结构——胖瘦条纹，其特点是每条条纹上间隔位置宽度不一，呈胖瘦均匀间隔分布。该加工方法具有方便、快速、人为可控等特点。在金纳米膜上快速制备的规律分布的微米级条纹结构是一种新型周期结构，能够在材料性能调控方面具有好的效果。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种胖瘦条纹结构，其特征在于，包括：在金膜表面分布有竖直条纹和与水平方向呈预设夹角的等间距斜条纹相嵌套的胖瘦条纹结构；
还包括：竖直方向分布间距为50 μm的周期结构条纹，在与水平方向呈18°的方向上分布有另一周期的明暗相间的斜条纹，斜条纹的周期为194 μm，竖直方向的周期结构条纹和与水平方向呈18°的方向上的斜条纹嵌套形成“胖瘦条纹”。
2.根据权利要求1所述的一种胖瘦条纹结构的制备方法，其特征在于，包括：在金膜样品的金膜上表面覆盖玻片，将金膜样品放置在移动平台，飞秒激光微加工系统输出的飞秒脉冲激光聚焦到金膜样品，控制移动平台在Ｘ-Ｙ-Ｚ轴三个方向移动，进行二维移动线扫描，在金膜上制备微纳周期结构，即“胖瘦条纹”结构。
3.根据权利要求2所述的胖瘦条纹结构的制备方法，其特征在于，飞秒激光微加工系统包括：飞秒激光放大级、半波片、格兰棱镜、电闸阀、反射镜、聚焦透镜、电脑；电脑和飞秒激光放大级、电闸阀均连接；
飞秒激光放大级输出飞秒脉冲激光，飞秒脉冲激光依次经过半波片、格兰棱镜、电闸阀后经反射镜发射，最终经过聚焦透镜后照射在金膜样品上。
4.根据权利要求3所述的胖瘦条纹结构的制备方法，其特征在于，半波片与格兰棱镜连续调节飞秒激光放大级输出飞秒脉冲激光的能量。
5.根据权利要求2所述的胖瘦条纹结构的制备方法，其特征在于，金膜样品的衬底为K9玻璃。
6. 根据权利要求2所述的胖瘦条纹结构的制备方法，其特征在于，飞秒脉冲激光的中心波长为800 nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率为1KHz。
7. 根据权利要求2所述的胖瘦条纹结构的制备方法，其特征在于，玻片的厚度为18um。
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