专利名称：飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，属于微结构表面设计制备及激光微加工技术领域。
背景技术：
固体表面的湿润性是一个十分重要的研究课题，因为它在工农业生产和科学研究上有着许多实际的应用。湿润性的直接衡量标准就是测量一个液体在固体表面的静接触角。通常，接触角小于90°，我们认为这个表面是亲水性的；反之如果大于90°，那这个接触角则是疏水性的。特别是对固体表面的疏水性而言，其最主要的应用价值便体现在其抗污染和自清洁两方面，因为这两个特性有着广泛的应用前景，比如船舶表面的抗生物吸附、 天线或者雷达的抗雪、汽车挡风玻璃的自清洁、建筑物表面的抗腐蚀镀膜和微流体无损传输。因此目前这方面的相关研究开展的越来越多。目前已知的影响固体表面疏水特性的主要因素是两个表面自由能和表面粗糙度，因此大部分研究都是从这两个因素出发。通过化学修饰的方法可以使得固体表面自由能降低或者在表面构建微米或者纳米结构以增加表面粗糙度。通常化学修饰方法就是涂覆一层低表面能的化学物质氟硅烷在不同类型的固体表面上，使得固体表面出现疏水性；而使得固体表面粗糙化的方法现在越来越多，主要用模板法、光刻蚀法和电化学沉积法。模板法通过一种多孔阳极氧化铝模板覆盖在固体表面，然后将聚合物加热熔化使其压入模板孔内，待聚合物冷却凝结后将模板取下，这样就在固体表面留下了与模板孔阵相一致的聚合物阵列，通过这种方法可以在固体表面制得具有规则排列的聚合物阵列体系，但是由于需要事先制备模板，因此前期工序比较繁杂。光刻蚀法传统的方式是通过紫外光加掩膜的技术进行表面微加工，该工艺技术成熟，精度高，但是设备昂贵、工序多。最近发展的飞秒激光直写方法操作简单，可在多种材料表面刻写相关的微结构，因此受到广泛关注，目前已知在金属或者金属基氧化物薄膜表面实现了疏水性微结构的制备。电化学沉积法主要是以铜、铝或者ITO玻璃等导电材料为基材，然后通以一定的电流，并浸泡在相应的反应气体或者液体溶剂中，目的是使得材料的表面经过电化学腐蚀后出现一定的粗糙化结构。但是这种化学腐蚀方法耗时较长，难以获得均勻的疏水性表面。尽管目前疏水材料的制备方法日益多样化，但是基体材料的选择是一个十分重要的考虑，选择一种常用的并且价格低廉的材料作为疏水表面的基体显得十分重要。有机玻璃是一种在化工领域容易生产的高分子聚合物材料，它有着高度透明性、高机械强度、重量轻和易于加工等多个优点，可以广泛应用于商业、轻工、建筑、化工等方面，特别在广告牌制作、医疗注射器械、透明视窗等产品上对疏水性有着密切的需求。因此发展一种在有机玻璃表面制备疏水性微结构的技术就显得尤为重要
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法。本方法利用聚焦后的飞秒激光直接扫描光滑的有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)表面，通过激光烧蚀作用使得辐照过的区域产生结构变化进而形成疏水性微结构。本发明的基本构思是，将一束经物镜聚焦的飞秒激光直接辐照在有机玻璃表面， 由于聚焦后的光斑非常小，可以达到微米量级，因此在辐照区域也就形成了与光斑尺度相当的烧蚀区域，利用这种烧蚀机制可以在有机玻璃表面产生周期性微米量级的微结构。为达到上述目的，基于以上构思，本发明采用如下技术方案
一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，具体步骤如下
a.将有机玻璃表面在蒸馏水下冲洗，去除表面灰尘杂质，然后用冷风进行干燥；
b.将有机玻璃放置在三维精密位移加工平台上，飞秒激光经光路引导再经显微镜物镜聚焦到有机玻璃表面上，由程序设置激光扫描参数，自动刻写不同周期的微米量级的线阵微结构或者面阵微结构；
c.将刻蚀完毕的有机玻璃在无水乙醇浸泡下超声清洗20分钟，去除表面碎屑。上述飞秒激光选用脉冲宽度为6(T200fs，波长为70(TlIOOnm的超短脉冲激光，其单脉冲激光能量为1 μ Γ3πα、脉冲频率为IkHz或250kHz。上述有机玻璃厚度范围为0. 5 2mm。上述周期性线阵微结构的条纹宽度为1(Γ30μπι，条纹之间的距离为1(Γ30μπι。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点
本发明工艺简单，材料成本低廉，制备效率较高。普通的有机玻璃经过飞秒激光直接扫描成形后再经过简单清洗后便具有表面疏水性的特性，无需其他的后续处理。通过三维移动平台的程序化控制可使得该制备方法各项参数的选择性较高，能够自由选择加工区域的面积大小和微结构的尺度以实现不同疏水角的控制，以满足不同应用条件下的科技产品开发。
图1是飞秒激光有机玻璃表面微结构加工系统示意图。图2是实施例1本方法在有机玻璃表面制备疏水性微结构的照片。图3是实施例2本方法在有机玻璃表面制备疏水性微结构的照片。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。如图1所示，本发明方法的实验装置包括飞秒激光器1、功率衰减器2、电子快门3、 反射镜4、显微物镜5、三维精密位移加工平台7和控制程序的电脑8 ；飞秒激光器1和光学显微镜以及三维精密位移加工平台中间以传输光路引导，光路中包含光功率衰减器2和电子快门3，有机玻璃样品6放置于三维精密位移加工平台7上，加工平台7和电子快门3都由计算机程序控制。本发明方法的具体步骤如下
a.将有机玻璃样品6表面在蒸馏水下冲洗，去除表面灰尘杂质，然后用冷风进行干b.将有机玻璃样品6放置在三维精密位移加工平台7上，飞秒激光经光路引导再经显微镜物镜5聚焦到机玻璃样品6表面上，由程序设置激光扫描参数，自动刻写不同周期的微米量级的线阵微结构或者面阵微结构；
c.将刻蚀完毕的机玻璃样品6在无水乙醇浸泡下超声清洗20分钟，去除表面碎屑。实施例1
飞秒激光器发出的激光脉冲参数如下脉冲宽度为120fs，波长为800nm，脉冲频率为 1kHz，单个脉冲能量为3mJ。这些脉冲通过20X (N. A=O. 45)的物镜聚焦在有机玻璃表面上， 飞秒激光的光斑直径为10 μ m。由于飞秒激光辐照有机玻璃时会使得激光辐照区域的材料发生烧蚀作用，因而产生了明显的结构变化，这样通过激光扫描作用可以在有机玻璃表面形成周期性的微结构。参照图2所示，(a)为未经过飞秒激光辐照的有机玻璃表面的水滴静态接触角照片，数值为79. 5°，这个结果表明此时有机玻璃表面呈现亲水的特性；(b)为通过飞秒激光线扫描方式在有机玻璃表面得到的微结构的显微光学照片，其中激光刻写的平行条纹线宽为30 μ m而条纹之间的间距为10 μ m,扫描速度约在1. 6mm/s ； (c)图为该微结构表面平行于激光扫描方向上的接触角，数值为97. 5°，已经呈现轻微的疏水性；(d)图为该微结构表面垂直于激光扫描方向上的接触角，数值为137.5°，这个结果说明线扫描方式使得有机玻璃表面的疏水特性具有一定的方向选择性。实施例2
本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于，先通过一次线扫描得到周期条纹，线宽为30 μ m且间距也为30 μ m,完成后将样品旋转90°，以刚才的参数重复扫描一次，形成正交结构，结果如图3所示。(a)为未经过飞秒激光辐照的有机玻璃表面的水滴静态接触角照片，数值为81.0° ； (b)为通过飞秒激光面扫描方式在有机玻璃表面得到的微结构的显微光学照片；(c)和(d)分别微结构表面在两个相互垂直方向上的接触角测量结果，(c) 133.3°和(d) 126.6°，这个结果表明有机玻璃表面在这种飞秒激光直写的正交微结构区域呈现了非常均勻的疏水性。
权利要求
1.一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，其特征在于，具体步骤如下a.将有机玻璃表面在蒸馏水下冲洗，去除表面灰尘杂质，然后用冷风进行干燥；b.将有机玻璃放置在三维精密位移加工平台上，飞秒激光经光路引导再经显微镜物镜聚焦到有机玻璃表面上，由程序设置激光扫描参数，自动刻写不同周期的微米量级的线阵微结构或者面阵微结构；c.将刻蚀完毕的有机玻璃在无水乙醇浸泡下超声清洗20分钟，去除表面碎屑。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法， 其特征在于，所述飞秒激光选用脉冲宽度为从6(T200fs，波长为70(Tll00nm的超短脉冲激光，其单脉冲激光能量为1 μ Γ3πα、脉冲频率为IkHz或250kHz。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，其特征在于，所述有机玻璃厚度范围为0. 5 2mm。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，其特征在于，所述周期性线阵微结构的条纹宽度为1(Γ30μπι，条纹之间的距离为 10 30μπιο
全文摘要
本发明涉及一种飞秒激光在有机玻璃表面制备疏水性微结构的方法，主要过程如下将飞秒激光发射的光束经过显微物镜聚焦后辐照到有机玻璃表面，由于聚焦后的光斑非常小并且功率密度很高，可以在辐照区域形成与光斑尺度相当的烧蚀区域，并且放置样品的平台可以通过电脑程序进行三维精密控制，因此利用这种激光加工技术可以在有机玻璃表面产生周期性微米量级的微结构。经过接触角测试仪的检测，这些微结构具有十分明显的疏水性特征，并且在其表面水滴的湿润程度与微结构的周期和种类有关。本发明制作工艺简单，原材料成本低廉，具有非常高的参数选择性和可控性，可以在有机玻璃表面制得不同尺寸和图案的疏水性微结构。
文档编号B23K26/40GK102336393SQ20111030285
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者任勇, 卞华栋, 戴晔 申请人:上海大学