飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置，属于材料表面处理技术领域。
【背景技术】
[0002]众所周知，润湿性的直接衡量标准就是测量一种液体(通常是水)在固体表面的静态接触角。当静态接触角大于90°，则认为该表面为疏水性表面；当接触角大于150°时，则认为该表面即为超疏水表面。自然界中的许多物种有着令人类叹为观止的能力和功能，比如壁虎在墙壁上行走，荷叶的超疏水和自清洁特性等，研宄表明，这些超常的能力和功能中，有很大一部分的能力和功能的产生原因是与表面结构特别是有序的表面微纳米结构有密切关系的，因此，只要通过制备类似的表面微纳米结构就可能实现材料表面上某一种或者多种功能的体现或者功能的极大改善。
[0003]现有技术中，上述功能的实现是基于控制材料表面能和表面微观结构这两条基本原则，其实现的手段主要有以下几种:一种是直接在材料表面形成粗糙结构的低表面能薄膜或涂层，主要是通过化学方法在材料表面形成氟碳化合物，硅树脂以及其它的一些低表面能有机化合物；另一种是通过对基底材料表面进行粗糙化，然后在其上进行低表面能薄膜和涂层(通常是由氟或硅化合物组成)制备；还有一种是采用光刻或激光加工方法在基底材料表面上直接制造多级微纳结构。
[0004]具体来说，目前表面微观结构(表面微纳米结构)的制备方法主要包括以下几种:溶液浸泡法、电化学方法、颗粒填充法、模板法、等离子体沉积法、等离子体刻蚀、光刻、激光微加工等。科研人员通常采用上述方法的两种或以上的复合方法来制备表面微纳米结构。如 Sun T L 等人(Angewandte Chemie Internat1nal Edit1n, 2004，43:357-360)运用激光刻蚀方法在硅片表面加工形成凹槽，然后利用表面引发原子转移自由基聚合技术在表面上接枝形成一层聚异丙基丙烯酞胺“分子刷”，从而获得到“响应温度”的超疏水-超亲水可逆“开关”表面，当环境周围温度高于40°C时，接触角大于150° ;当环境周围温度低于25°C，接触角接近 0° ο Gao N等人(Journal of B1nic Engineering, 2009，6，335-340)使用激光刻蚀技术在硅片上制造了分级的微纳结构表面，这种分级微结构是由交互排列的微槽和较密的纳米级突起组成的，采用氟硅烷修饰后，获得了接触角近180°的超疏水表面。Torkkeli A 等人(Transact1ns on Industry Applicat1ns, 1998, 34(4), 732-737)米用传统的光刻技术，在硅片表面上制备了周期性微米柱阵列，经C4F8等离子体表面处理后，获得了接触角高达172°的超疏水表面。
[0005]但是，上述这些方法有的工序繁杂、有的需要真空系统，加工范围小，效率低，而且对工作环境要求非常严格:采用电化学技术，化学腐蚀方法耗时较长，难以获得均匀的疏水性表面；采用刻蚀技术，虽然可以实现三维形貌的微结构加工，但加工区域不均匀，容易产生内应力等缺陷，从而影响产品的功能特性；而沉积技术虽然可以实现较快速的制备，但可控性极差，而且生成的结构性能不稳定；传统的光刻技术是通过紫外光加掩膜的技术进行表面微加工，该技术成熟度高，但设备昂贵、工序多。
[0006]而对于超疏水性表面微纳米结构的超疏水性表面，目前国内外的制备技术主要有:化学法、机械加工技术，电子束直写技术，刻蚀技术，化学/物理气相沉积和激光加工等。但是化学法制备有机疏水涂层或对粗糙表面进行低表面能修饰，虽然工艺简单、易操作，但是制备的薄膜/涂层结合力差，不耐冲击，环境适应性差，由于化学老化和机械破坏，容易面临涂层变色、粉化、起泡、开裂以及疏水功能下降等失效行为。机械加工方法主要采用线切割与电火花加工技术，该技术对制备的材料具有较强的选择性，而且很难制备出超疏水性表面；电子束直写技术可以加工出纳米级的微结构，但是加工范围小，效率低，而且对工作环境要求非常苛刻；采用刻蚀技术，虽然可以实现三维形貌的微结构加工，但在加工区域容易产生内应力等缺陷，从而影响产品的功能特性；而沉积技术虽然可以实现较快速的制备，但可控性极差，而且生成的结构性能不稳定。激光加工是一种新兴的高效、高质量的加工手段，但是对于连续激光和脉冲宽度介于纳秒到微秒之间的传统激光加工而言，由于热效应、熔化、毛刺、裂纹和加工区域组织结构的改变等机械缺陷的存在而使该类激光的应用受到了严重的限制。
【发明内容】
[0007]鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置，能够克服了目前国内外超疏水性表面微纳米结构的制备技术中存在的加工范围小，效率低，对制备的材料具有较强的选择性，需要二次造型，制备的薄膜/涂层结合力差，不耐冲击，环境适应性差以及疏水功能下降等的问题。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案得以实现:
[0009]一种飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置，其特征在于:该装置包括飞秒激光单元、光束控制单元、运动平台单元和自动化控制单元；
[0010]所述飞秒激光单元用于发射飞秒激光；所述光束控制单元用于控制飞秒激光的功率、光束质量和曝光时间；所述运动单元用于控制被光刻表面在三维方向上的移动量；
[0011]所述飞秒激光单元设置在所述光束控制单元的后方，所述光束控制单元设置在所述运动平台单元的上方，所述光束控制单元和所述运动平台单元分别与所述自动化控制单元相电连接。
[0012]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，所述自动化控制单元用于控制光束控制单元和运动平台单元的运行，可以是单片机、工业控制计算机等。
[0013]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，所述运动平台单元为三维伺服精密移动平台(PI，German)。
[0014]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，优选的，所述飞秒激光单元包括飞秒激光器和再生放大器，所述飞秒激光器设置在所述再生放大器的后方。
[0015]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，飞秒激光器是飞秒激光的种子源，优选的，所述飞秒激光器包括美国光谱物理公司的MAITI自锁模钛宝石激光器，但不限于此。
[0016]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，再生放大器用于放大飞秒激光种子源的脉冲能量和脉宽，优选的，所述再生放大器包括美国光谱物理公司的Spitf ire再生放大器，但不限于此。
[0017]根据具体实施方案，在lkHz、5mJ的激光泵浦下，对于单个脉冲能量为1nJ,脉宽为SOfs的飞秒激光种子源，上述的再生放大器可输出单脉冲能量500 μ J，激光输出脉冲宽度为200fs。
[0018]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，优选的，所述光束控制单元包括二分之一波片、偏振分光镜、快门、反射镜和非球透镜；所述二分之一波片设置在所述飞秒激光单元的前方，所述偏振分光镜设置在所述二分之一波片的前方，所述快门设置在所述偏振分光镜的前方，所述反射镜设置在所述快门的前方，所述非球透镜设置在所述反射镜的下方，所述快门与所述自动化控制单元相连接。
[0019]上述的飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的装置中，二分之一波片和偏振分光棱镜组合来调节飞秒激光光束功率大小，快门用来控制爆光时间。所述快门可以同运动