专利名称：仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于微纳加工和激光成型技术领域，特指仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型方法及装置。
背景技术：
激光微纳加工方面的实验和应用研究由来已久，其中最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域，至今微纳激光制造及其相关技术已成为当前国际竞争的主要领域。激光微纳加工技术中的激光刻蚀技术最早是在20世纪80年代针对准分子激光加工技术提出的，它是采用高能脉冲激光束对材料表面扫描得到具有一定宽度和深度的微细小槽，以改善材料表面的润湿特性。由于其具有非接触、无污染、加工面形容易控制、热影响小和可实现微纳米线宽精细加工等特点，因而随着激光器质量的提高和控制系统的改善，激光刻蚀技术得到了越来越广泛的应用。
仿生周期微纳结构表面的制作是国内外众多学者正在深入研究的重要课题，传统的激光刻蚀技术可以满足该种表面制备的要求，它是利用激光与材料相互作用过程中的光化学和热化学作用相结合来实现加工材料表面的微观形貌改变及微观结构重组，从而使材料表面因具备超疏水或疏油性能而带来无比优越的自洁特性，材料的防污染、抗氧化、抗腐蚀、抗老化等能力也将因此而大大提高。
典型微纳加工的激光光源提供从50mW到2W的平均输出功率和从几十微焦到几毫焦的脉冲能量。处理过程用很小的激光脉冲就可以，几百微焦的能量足以熔化一个100μm的聚焦点。对于大多数的激光微纳加工应用，Nd:YAG激光产生的纳秒脉冲就足够。
虽然传统的激光刻蚀技术具有一般微纳光制造所具备的非接触、无污染、可实现微纳米线宽精细加工等优点，但是也存在着一定的局限性首先，由于传统激光刻蚀技术的曝光视场范围小、逐场刻蚀扫描需要配备复杂的加工定位系统，因而其一次加工面积小，成本高；其次，传统的激光刻蚀技术因为受曝光波长及成像系统数值孔径的限制，其表面加工的分辨率较低，进一步推进刻蚀极限比较困难；最后，由于传统激光刻蚀系统固有的光学特性，其曝光区域小，且加工时难以得到清晰的多维图形，大大限制了其在大尺寸基体材料表面精细微结构加工方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种制作仿生周期微纳结构表面的、优于传统激光刻蚀技术的新方法及其相关装置，是基于Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器在材料表面产生光热作用以及随后的能量扩散来实现的，可以有效地克服其他微纳光制造方法中存在的加工系统相对复杂、加工过程控制困难、加工表面质量不高等缺点。
本发明提出的激光造型方法可以适用于水和空气等介质中仿生表面的点扫描和线扫描，在此基础上可进一步实现不同材料表面的大区域面扫描，针对不同加工介质及不同扫描要求设计了相应的微纳加工系统。
实现本发明目的的装置主要由激光光源、外光路系统和样品控制系统依次组成。其中激光光源采用Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器的二倍频输出(波长532nm)或者三倍频输出(波长355nm)，每一种输出都有两种模式，即连续脉冲发射和单次脉冲发射，前一种模式用于线扫描，后一种模式用于点扫描。外光路系统主要由滤波片、聚焦镜等光学元件依次连接构成。滤波片的作用是将激光光源调节至一定的频带宽度；聚焦镜的作用一方面是使激光能量集中，另一方面可以满足加工中光斑大小可调的要求。样品控制系统包括置于外光路系统中的电子光闸、加工样品、三维驱动工作台、计算机控制系统、驱动器等，计算机控制系统与电子光闸和驱动器、驱动器与三维驱动工作台均通过数据线相连接。计算机控制系统的作用是控制电子光闸的开关及三维驱动工作台纵横微移的起止并使之严格同步；电子光闸的作用是控制激光光束的适时通断，从而有效控制线扫描时的扫描长度或点扫描时的重复次数；三维驱动工作台的作用是通过水平方向的纵横微移来控制水平方向线扫描的位置和点扫描的间距(采用水介质时)或者通过垂直方向的纵横微移来控制垂直方向线扫描的位置和点扫描的间距(采用空气介质时)。采用水介质将有助于激光能量的扩散，使制作的表面微纳结构的周期性显著，在采用水介质时的装置中，外光路系统除了有滤波片、聚焦镜外，在两者之间还需要采用一个全反镜将水平方向的激光光束改变为沿垂直方向，从而满足在水介质中进行扫描的要求；样品控制系统需要有盛装水介质的样品池，样品就放置于固定在三维驱动工作台上且装有水介质的样品池的底部。在采用空气介质时的装置中，外光路系统仅由滤波片和聚焦镜组成，不需要全反镜，因为通过控制三维驱动工作台在垂直方向上的纵横微移即可实现不同位置的点扫描和线扫描，不需要改变光束方向；样品控制系统中不需要样品池，因为样品可直接固定于三维驱动工作台上。
本发明提出的方法的基本步骤如下由Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器输出的激光光束经滤波片、电子光闸等元件后由聚焦镜聚焦，聚焦后的激光光束直接作用于加工样品表面。微纳加工过程中由计算机控制系统控制电子光闸的开关来实现光路的通断，与此同时还要由计算机控制系统通过驱动器来控制三维驱动工作台在水平方向上的纵横微移。注意操作中电子光闸的开关必须与三维驱动工作台纵横微移的起止严格同步，以保证仿生表面激光造型的质量。另外，为了获得理想化的周期表面微纳结构，必须对激光器输出的激光能量进行严格调节，这可以通过在光路调节时由放置在激光器出光口的能量探头来完成(不同的加工材料对激光能量的要求不同，如硅片扫描时所需能量大约在50～300mJ左右)。进行点扫描时，采用纳秒脉冲激光器的单次脉冲发射，通过三维驱动工作台纵横微移的起止时间间隔保持与单次脉冲发射的时间间隔一致来控制点扫描的间距，此时电子光闸的作用是控制单次脉冲发射的重复次数。进行线扫描时，采用纳秒脉冲激光器的连续脉冲发射，通过调整三维驱动工作台的纵横微移来控制线扫描的位置，此时电子光闸的作用是控制线扫描的长度。在线扫描的基础上，通过三维驱动工作台控制加工样品纵横方向的微移，使多次线扫描的图样纵横交叠，从而可以实现大区域面扫描。
点扫描时的重复次数n对扫描结果有较大的影响；线扫描时得到的表面微纳结构的周期p与三维驱动工作台的微移速度v和激光脉冲的重复频率γ存在一定的关系，即p＝v/γ。
与用于仿生微纳结构表面制作的一般微纳光制造方法如传统的激光刻蚀技术相比，本发明提出的激光造型方法具有一系列的技术优势第一，微纳加工系统结构简单，操作方便，成本较低。该系统中不需要采用掩模，不需要采用昂贵的短波长光源和成像透镜，因而光路单一而且容易调节，同时充分利用Nd:YAG激光器的连续脉冲和单次脉冲两种输出模式，使得操作简便且成本低。第二，表面微纳结构的周期易控，加工质量较高。通过控制加工中的激光光斑直径、点扫描时的重复次数、线扫描时三维驱动工作台的微移速度和激光脉冲的重复频率等参数即可准确调整表面微纳结构分布，使其周期性更显著。第三，微纳加工过程控制容易，加工效率较高。该方法中充分利用了计算机控制系统的协调控制能力，使过程控制智能化，无论是点扫描、线扫描还是大区域面扫描，都可以通过电子光闸开关与三维驱动工作台纵横微移起止的同步来精确控制表面扫描的关键参量(如点扫描的重复次数和间距、线扫描的长度和位置、面扫描的区域范围)，因而加工的效率也大为提高。
图1水介质中仿生周期微纳结构表面的纳秒脉冲激光造型系统示意2空气介质中仿生周期微纳结构表面的纳秒脉冲激光造型系统示意3采用激光造型方法制作的典型仿生周期微纳结构硅片表面的SEM4典型线扫描表面图样的参数控制示意图1 Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器，2能量探头，3滤波片，4电子光闸，5全反镜，6聚焦镜，7样品池，8水介质，9加工样品，10三维驱动工作台，11驱动器，12计算机控制系统，13线扫描图样。
具体实施例方式
图1所示为本发明提出的水介质中仿生周期微纳结构表面的纳秒脉冲激光造型系统示意图，对其具体装置的细节和实施情况作如下说明采用水介质时的纳秒脉冲激光造型系统主要由激光光源、外光路系统和样品控制系统依次组成。激光光源采用Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器1的二倍频输出(波长532nm)或者三倍频输出(波长355nm)，并利用其连续脉冲发射和单次脉冲发射这两种出光模式分别实现表面线扫描和点扫描。外光路系统主要由滤波片3、全反镜5、聚焦镜6构成，由Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器输出的激光光束依次经滤波片3、全反镜5后由聚焦镜6聚焦，聚焦后的激光光束直接进入样品控制系统。样品控制系统包括置于外光路系统中的电子光闸4(放置于滤波片3后)、样品池7、盛装于样品池中的水介质8、固定于样品池底部的加工样品9、承载样品池的三维驱动工作台10、通过数据线与三维驱动工作台10直接相连接的驱动器11、通过数据线分别与电子光闸4和驱动器11相连接的计算机控制系统12，外光路系统中聚焦后的激光光束进入样品控制系统后直接作用于加工样品9的表面从而实现线扫描或点扫描。在每次进行光路调节时由放置在Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器1出光口的能量探头2来对输出的激光能量进行严格调节，以满足不同加工材料对激光能量的不同要求。进行线扫描时，激光输出采用连续脉冲发射，由电子光闸控制光路的适时通断从而控制线扫描的长度，由三维驱动工作台控制加工样品水平方向的纵横微移从而控制水平方向上不同走向线扫描的位置。进行点扫描时，激光输出采用单次脉冲发射，由电子光闸控制光路的适时通断从而控制点扫描的重复次数，由三维驱动工作台控制加工样品水平方向的纵横微移从而控制水平方向上点扫描的间距。线扫描的长度和位置、点扫描的重复次数和间距这些加工参数需要根据加工样品的大小及加工需要来确定。在线扫描的基础上，通过三维驱动工作台控制加工样品水平方向的纵横微移，从而调节不同线扫描的位置以实现其交互重叠，就可以得到大区域的面扫描图样。
采用空气介质时的纳秒脉冲激光造型系统如图2所示。其结构组成与图1基本相同，实现线扫描和点扫描的方法及相应的参数控制也与采用水介质时相同。由于加工时以空气作为介质，加工样品9可以直接固定于三维驱动工作台10上，因而样品控制系统中不需要样品池；同时由于加工样品9的加工方向不受局限，可以直接由激光光束水平发射、三维驱动工作台10控制加工样品9在垂直方向上的纵横微移来实现不同走向和位置的线扫描和不同间距的点扫描，因此外光路系统中也不需要由全反镜来改变激光光束的发射方向。采用空气介质时，由于能量的扩散效果较差，容易造成表面微纳结构分布不均匀的情况，同时由于扫描区域中心的能量比边缘和次边缘区的能量强得多，因此容易在中心区域出现多向扩展裂纹，在加工时应当通过改善样品固定方式并严格控制激光能量E、光斑直径d等参量来避免。
图3是采用激光造型方法制作的典型仿生周期微纳结构硅片表面的SEM图。采用的是Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器的二倍频输出(波长532nm)，光斑直径均为2mm。其中图3(a)和(b)分别是采用激光造型方法在空气介质中对硅片进行加工得到的点扫描和线扫描图样，点扫描时的激光能量为240mJ，重复次数为20次；线扫描时的激光能量为130mJ，三维驱动工作台的微移速度为2mm/s，激光脉冲的重复频率为2Hz。图3(c)和(d)分别是采用激光造型方法在水介质中对硅片进行加工得到的点扫描和线扫描图样，点扫描时的激光能量为240mJ，重复次数为1次，加工样品表面与水介质表面的距离为3mm；线扫描时的激光能量为90mJ，三维驱动工作台的微移速度为2mm/s，激光脉冲的重复频率为2Hz，加工样品表面与水介质表面的距离为2mm。通过比较发现，在水介质中进行扫描得到的微纳结构表面比在空气介质中的质量更好。此外，点扫描的重复次数n对扫描结果的影响较大，n越大，得到的微纳结构的尺寸越小；而线扫描得到的表面微纳结构的周期与三维驱动工作台的微移速度v和激光脉冲的重复频率γ之间存在着一定的关系。
图4是典型线扫描表面图样的参数控制示意图，在加工样品9上得到的线扫描图样13显示的周期为d/2(其中d为激光光斑直径)，v是线扫描时三维驱动工作台的微移速度(亦即样品微移速度，可调)，假设激光脉冲的重复频率为γ(亦可调)，则有d/2＝v/γ。不失一般性，进行线扫描时线扫描图样的周期p与v和γ的关系均可写成p＝v/γ。可见通过调节线扫描时三维驱动工作台的微移速度和激光脉冲的重复频率即可控制线扫描图样的周期。
权利要求
1.仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型装置，其特征是由激光光源、外光路系统和样品控制系统依次组成，激光光源采用Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器(1)的二倍频输出或者三倍频输出，外光路系统由光学元件滤波片(3)、聚焦镜(6)依次连接构成；样品控制系统包括置于外光路系统中的电子光闸(4)、加工样品(9)、三维驱动工作台(10)、计算机控制系统(12)、驱动器(11)，其中计算机控制系统(12)与电子光闸(4)和驱动器(11)、驱动器(11)与三维驱动工作台(10)均通过数据线相连接。
2.根据权利要求1所述的仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型装置，其特征是采用水介质的装置中，外光路系统中在滤波片(3)、聚焦镜(6)两者之间采用一个全反镜(5)。
3.根据权利要求1所述的仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型方法，其特征是由Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器输出的激光光束经滤波片、电子光闸等元件后由聚焦镜聚焦，聚焦后的激光光束直接作用于加工样品表面，微纳加工过程中由计算机控制系统控制电子光闸的开关来实现光路的通断，由计算机控制系统通过驱动器来控制三维驱动工作台在水平方向上的纵横微移。
4.根据权利要求1所述的仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型方法，其特征是激光光源的输出为两种模式，即线扫描采取连续脉冲发射和点扫描采取单次脉冲发射。
5.根据权利要求1所述的仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型方法，其特征是点扫描时的重复次数n越大，得到的微纳结构的尺寸越小。
6.根据权利要求1所述的仿生周期微纳结构表面的大区域激光造型方法，其特征是线扫描时得到的表面微纳结构的周期p与三维驱动工作台的微移速度v和激光脉冲的重复频率γ存在一定的关系，即p＝v/γ。
全文摘要
本发明属于微纳加工和激光成型技术领域，其由Nd:YAG调Q纳秒脉冲激光器输出的激光光束经滤波片、电子光闸等元件后由聚焦镜聚焦，聚焦后的激光光束直接作用于加工样品表面，微纳加工过程中由计算机控制系统控制电子光闸的开关来实现光路的通断，由计算机控制系统通过驱动器来控制三维驱动工作台在水平方向上的纵横微移。本发明微纳加工系统结构简单，操作方便，成本较低。表面微纳结构的周期易控，加工质量较高。通过控制加工中的激光光斑直径、点扫描时的重复次数、线扫描时三维驱动工作台的微移速度和激光脉冲的重复频率等参数即可准确调整表面微纳结构分布，使其周期性更显著。且微纳加工过程控制容易，加工效率较高。
文档编号B23K26/00GK1928687SQ200610041569
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月15日 优先权日2006年9月15日
发明者周明, 李保家, 蔡兰 申请人:江苏大学