專利名稱：超快激光快速制備金屬表面大面積納米織構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用超快激光在金屬表面快速制備出大面積納米織構(gòu)的方法，利用本方法所產(chǎn)生的納米織構(gòu)具有規(guī)則性、周期性，且周期遠(yuǎn)小于激光波長。本方法所涉及的表面納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)屬于激光微納加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大自然生物表面上特殊的有規(guī)則的微納米結(jié)構(gòu)特有的介觀效應(yīng)使其具備超常的表面性能。如，荷花葉表面的微米級凸起和其上分布的納米級臘絲使得荷葉具有超疏水性和出淤泥而不染的極佳自潔性能；壁虎的腳趾上附有數(shù)百萬直立的微絨毛，每個微絨毛末梢都有納米分支，當(dāng)數(shù)百萬這樣的微絨毛與物體表面接觸時，它們之間會產(chǎn)生強(qiáng)大的范德華力，使得壁虎能夠輕松自如地倒懸掛于天花板或墻壁表面，還能隨意離開物體表面；鯊魚皮表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過進(jìn)而實現(xiàn)快速游動。這些表面維納結(jié)構(gòu)蘊含著豐富的物理原理和應(yīng)用價值，吸引著研究者對表面微納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)的高度關(guān)注。傳統(tǒng)納米織構(gòu)化的實現(xiàn)主要是通過光刻的方法實現(xiàn)，步驟復(fù)雜，且污染嚴(yán)重。近幾年，隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是超快激光技術(shù)的發(fā)展，為許多科研領(lǐng)域增加了新的技術(shù)手段。超短脈沖對材料表面的超快作用導(dǎo)致了許多新奇的極端非線性現(xiàn)象，呈現(xiàn)出許多超常的性能。研究者通過激光輻照的方法在金屬[Opt. Express 17，20757 (2009)]、半導(dǎo)體[Appl. Phys. Lett. 89,033506 (2006)]聚合物[APL 100,041106(2012)]等不同材料上研制成各種納米結(jié)構(gòu)。然而在實際應(yīng)用中，人們更注重的是所獲得納米結(jié)構(gòu)的性能及用途，即通過獲得大面積的表面納米織構(gòu)而真正實現(xiàn)其超常表面性能。金屬材料與國防及國民生產(chǎn)息息相關(guān)，具有無可替代的作用，在金屬材料表面實施大面積的表面納米織構(gòu)化制備，實現(xiàn)超常的表面性能，對科技發(fā)展及科技生產(chǎn)力的提高具有重要的價值和意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種采用超快激光在金屬表面直接制備出大面積周期性的納米織構(gòu)。該方法工藝簡單、可操作性強(qiáng)、無污染，適用于任何金屬材料，在軍事國防及國民生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。本發(fā)明的內(nèi)容包括以下具體步驟I)選用任意金屬材料的金屬靶材，經(jīng)表面拋光處理后固定于樣品臺上，所述的樣品臺為計算機(jī)編程控制的二維運動臺；2 )超快激光依次經(jīng)過濾波片、半波片、偏振分光棱鏡后引入光學(xué)導(dǎo)光臺，并經(jīng)光學(xué)導(dǎo)光臺上的聚焦鏡聚焦至金屬靶材表面，所述的光學(xué)導(dǎo)光臺為計算機(jī)編程控制的二維運動臺；3)選擇光學(xué)導(dǎo)光臺固定、樣品臺運動，或者光學(xué)導(dǎo)光臺運動、樣品臺固定的二選一工作方式，使得樣品臺與光學(xué)導(dǎo)光臺之間產(chǎn)生相對運動，在超快激光與金屬靶材表面之間通過搭接式來回掃描方式直接在金屬靶材表面掃描形成規(guī)則的周期性納米織構(gòu)條紋；所述的搭接式來回掃描方式為光學(xué)導(dǎo)光臺或者樣品臺首先水平方向移動，然后豎直方向移動，接下來繼續(xù)水平方向移動，連續(xù)兩次水平方向移動形成的納米織構(gòu)條紋在縱向進(jìn)行部分交疊；如此周而復(fù)始，制備出大面積的納米織構(gòu)。所述的超快激光光源為飛秒激光或亞皮秒激光，且超快激光波長可調(diào)。通過調(diào)節(jié)樣品臺與光學(xué)導(dǎo)光臺之間的相對運動速度控制大面積納米織構(gòu)形成的時間，且制備納米織構(gòu)的時間與相對運動速度成反比關(guān)系。本發(fā)明中所采用的超快激光光源為飛秒激光或亞皮秒激光，且采用不同波長的超快激光對制備的納米織構(gòu)的周期進(jìn)行調(diào)控，獲得納米織構(gòu)的周期為亞激光波長。本發(fā)明中的核心關(guān)鍵點為“大面積”、“快速”。其中“大面積”的實現(xiàn)關(guān)鍵在于所述的搭接式來回掃描，即采用計算機(jī)程序控制二維運動臺在兩個方向上的運動速度及運動臺所走距離實現(xiàn)掃描納米織構(gòu)的搭接，從而形成大面積的織構(gòu)化制備。“快速”意為摒棄了傳統(tǒng)的納米織構(gòu)制造方法，比如，光刻、壓印等工序多而復(fù)雜的制造方式，僅僅通過超快激光直接在金屬靶材表面掃描的方式即可獲得大面積的納米織構(gòu)，同時通過調(diào)節(jié)樣品臺與導(dǎo)光臺之間的相對運動速度來控制形成大面積納米織構(gòu)的速度。本發(fā)明中所獲得的納米織構(gòu)的重要性能指標(biāo)“深寬比”是通過對激光脈沖通量、掃描速度及掃描次數(shù)進(jìn)行控制而形成。有益效果I)實現(xiàn)了在金屬表面制備大面積納米織構(gòu)的技術(shù)，加工工藝簡單、可操作性強(qiáng)、無污染、成本低，在軍事國防及國民生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用潛力。2)本發(fā)明方法直接在金屬表面掃描獲得納米織構(gòu)，其周期小于激光波長；納米織構(gòu)的深寬比通過激光參數(shù)及掃描參數(shù)的優(yōu)化即可實現(xiàn)。


圖I :超快激光快速制備金屬表面大面積納米織構(gòu)的技術(shù)路線圖，圖2 :利用400nm的飛秒激光在金屬鎢表面獲得的大面積納米織構(gòu)掃描電鏡圖，圖3:本發(fā)明方法流程圖。(I)超快激光、(2 )濾波片、(3 )半波片、(4 )偏振分光棱鏡、(5 )聚焦鏡、(6 )樣品臺、(7)光學(xué)導(dǎo)光臺
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明在實施過程中采用的超快激光光源為飛秒激光或者是亞皮秒激光。如附圖I所示，激光光束首先經(jīng)過濾波片濾掉雜散光；然后經(jīng)過半波片及偏振分光棱鏡，半波片與偏振分光棱鏡的作用為根據(jù)激光的偏振態(tài)調(diào)整激光的脈沖通量；激光光束最后經(jīng)過聚集鏡后聚焦到金屬靶材表面。最終通過計算機(jī)編程控制二維運動臺在金屬靶材表面掃描出納米織構(gòu)。以附圖2中所提的400nm飛秒激光在鎢金屬表面所形成的大面積織構(gòu)為例說明本發(fā)明的具體實施方案，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
波長800nm、重復(fù)頻率IKHz、脈寬35fs的水平線偏振飛秒激光經(jīng)倍頻后變?yōu)?00nm的飛秒激光。400nm的飛秒激光依次經(jīng)過濾波片、半波片、偏振分光棱鏡后，經(jīng)焦距為300mm的聚焦鏡聚焦到鎢金屬靶材表面，聚焦后的激光光斑直徑為80 μ m,單脈沖能量密度為O. 19mJ/cm2。 尺寸為50mm*20mm*5mm的鎢金屬，放置于二維樣品臺上并經(jīng)過表面處理。二維樣品臺在計算機(jī)控制下走S型搭接路線，光學(xué)導(dǎo)光臺固定，實現(xiàn)對樣品的掃描。樣品臺的控制程序設(shè)定為首先橫向位移臺以O(shè). 94mm/S的速度運行,運行路程為IOmm,單方向掃描出的納米織構(gòu)寬度為80 μ m ;然后豎直位移臺以7. lmm/s下行60 μ m,橫向位移臺再以O(shè). 94mm/s的速度繼續(xù)掃描，兩次掃描獲得的納米織構(gòu)有20 μ m的邊緣實現(xiàn)搭接。如此循環(huán)下去，在整個樣品靶材表面形成寬的大面積納米織構(gòu)所需的時間僅僅為266s，所獲得的納米周期為210nm，尺寸小且大大節(jié)約了時間及成本。
權(quán)利要求
1.超快激光快速制備金屬表面大面積納米織構(gòu)的方法，其特征在于該方法采用超快激光直接掃描的方式在金屬材料表面快速加工大面積的納米織構(gòu)條紋，具體步驟為 1)選用任意金屬材料的金屬靶材，經(jīng)表面拋光處理后固定于樣品臺上，所述的樣品臺為計算機(jī)編程控制的二維運動臺； 2)超快激光依次經(jīng)過濾波片、半波片、偏振分光棱鏡后引入光學(xué)導(dǎo)光臺，并經(jīng)光學(xué)導(dǎo)光臺上的聚焦鏡聚焦至金屬靶材表面，所述的光學(xué)導(dǎo)光臺為計算機(jī)編程控制的二維運動臺； 3)選擇光學(xué)導(dǎo)光臺固定、樣品臺運動，或者光學(xué)導(dǎo)光臺運動、樣品臺固定的二選一工作方式，使得樣品臺與光學(xué)導(dǎo)光臺之間產(chǎn)生相對運動，在超快激光與金屬靶材表面之間通過搭接式來回掃描方式直接在金屬靶材表面掃描形成規(guī)則的周期性納米織構(gòu)條紋；所述的搭接式來回掃描方式為光學(xué)導(dǎo)光臺或者樣品臺首先水平方向移動，然后豎直方向移動，接下來繼續(xù)水平方向移動，連續(xù)兩次水平方向移動形成的納米織構(gòu)條紋在縱向進(jìn)行部分交疊；如此周而復(fù)始，制備出大面積的納米織構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超快激光快速制備金屬表面大面積納米織構(gòu)的方法，其特征在于所述的超快激光光源為飛秒激光或亞皮秒激光，且超快激光波長可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超快激光快速制備金屬表面大面積納米織構(gòu)的方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)樣品臺與光學(xué)導(dǎo)光臺之間的相對運動速度控制大面積納米織構(gòu)形成的時間，且制備納米織構(gòu)的時間與相對運動速度成反比關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用超快激光在金屬表面快速制備出大面積納米織構(gòu)的方法，具體包括選用任意金屬材料的金屬靶材，經(jīng)表面拋光處理后固定于樣品臺上，然后超快激光依次經(jīng)過濾波片、半波片、偏振分光棱鏡后引入光學(xué)導(dǎo)光臺，并經(jīng)光學(xué)導(dǎo)光臺上的聚焦鏡聚焦至金屬靶材表面，接下來使樣品臺與光學(xué)導(dǎo)光臺之間產(chǎn)生相對運動，在超快激光與金屬靶材表面之間通過搭接式來回掃描方式直接在金屬靶材表面掃描形成規(guī)則的周期性納米織構(gòu)條紋，其特點為利用超快激光與金屬材料的相互作用，通過計算機(jī)控制超快激光與金屬靶材的相對運動，在金屬靶材表面形成光學(xué)掃描，快速制備出大面積的納米織構(gòu)。
文檔編號B23K26/06GK102896425SQ20121036532
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者宋海英, 劉世炳, 劉嵩, 董祥明 申請人:北京工業(yè)大學(xué)