专利名称：超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置及方法，属于功能性微结构表面的制备领域。
背景技术：
自从地球具有生命以来，已经经历了几亿年的进化过程。这种进化使得几乎所有的物种或材料表面都具有某种从宏观到微观的特定功能。其中非常典型的一种功能特性就是结构表面具有极好的不易沾水的特性及自清洁的能力。如蝉、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀、 卷心菜的叶子、金雀花、水稻的叶子等，但最具代表性的还是莲花的叶子，因此这种功能性也被称之为“荷叶效应”。进一步研究发现，材料表面的微纳双重结构以及附着在此类结构上的蜡质层和硅氧烷是这类生物表面具有不沾水特性的根本原因。正是受大自然的启发， 人们开始模仿自然界中的功能性表面结构，从仿生科学的角度出发，制备具有“自清洁”等超疏水性的特定功能表面。从而试图解决人类所面临的日益加剧的能源危机、环境污染等问题。正是这种绿色制造及生活理念，使得“自清洁”等功能性微结构表面的制造成为国际领域内的研究热点问题之一。目前，针对这类超疏水功能性微结构表面的制备方法主要有机械加工技术，如铣削、切削等；电子束直写技术；光刻技术；刻蚀及平板印刷技术；化学/物理气相沉积和激光加工等。传统机械加工方法的研究主要集中在如何高效的获得光滑或超光滑的加工表面上，而表面功能结构制造则是在材料表面制备出不同于光滑物体表面的具有不同形貌、不同尺度、不同维数，不同功能的表面结构。电子束直写技术虽然能够加工出纳米级的结构， 但加工范围小，而且效率低；光刻技术由于场深限制，仅限于二微结构和小深宽比三维结构的加工，加工效率极低，此外对工作环境要求非常苛刻；采用蚀刻技术，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。同时，上述方法往往会使加工完之后的结构尺寸精度发生变化。激光加工是上个世纪末产生的一种新兴的高效、高质量的加工手段。但是针对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。而超短和超快激光凭借其独特的加工优势可以实现对材料的高效加工处理，为功能性元件的加工提供了更多的加工优势。超短和超快激光加工作为一种通用的柔性加工技术，不仅可以对金属、半导体和电介质等材料实现亚微米级尺寸特征的加工，而且还能以其特有的光学特性，在材料表面产生微纳双重结构的重构，而对基体和结构没有任何损伤。这就保证了所加工的结构及其功能具有长期的稳定性。但是，现有的功能性元件的加工工艺和加工技术均存在高投入、低产出的缺陷。
发明内容
本发明是为了解决现有功能性元件的加工工艺和加工技术存在的高投入和低产出的问题，提供一种超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置及方法。本发明所述超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置，它包括超快皮秒脉冲激光源、光频隔离器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、 旋转液晶偏振片、偏振分束器、第一束流收集器、第二束流收集器、半波片、第一聚焦透镜、 倍频发生器LBO晶体、分色镜、控光装置、光束轮廓曲线仪、光束放大组件开普勒扩束镜、聚焦加工镜头、加工平台、显微成像CXD组件和控制系统，超快皮秒脉冲激光源发射的激光束经过内置的再生放大器放大后入射至光频隔离器，通过光频隔离器的光束由第一反射镜进行反射，第一反射镜的反射光束经旋转液晶偏振片形成偏振光束，该偏振光束入射至偏振分束器，经偏振分束器的偏振分束，光束被分为两个部分，一部分被反射的反射光束被第一束流收集器的光探测端接收，另一部分光束经半波片入射至第一聚焦透镜，该第一聚焦透镜的出射光束入射至第二反射镜进行反射， 第二反射镜的反射光束再经第三反射镜反射后，入射至倍频发生器LBO晶体，光束经倍频发生器LBO晶体变换波长后，波长由1064nm变为532nm，变换波长后的光束入射至分色镜， 混杂在波长532nm光束中的1064nm的光束经分色镜反射后，反射光束被第二束流收集器的光探测端接收，而波长为532nm的光束经分色镜入射至控光装置，控光装置的出射光束入射至第四反射镜，经第四反射镜反射的反射光束经光束放大组件开普勒扩束镜扩束后入射至第五反射镜，经第四反射镜透射的少量透射余光被光束轮廓曲线仪的光探测端接收，被光束放大组件开普勒扩束镜扩束的光束经第五反射镜入射至聚焦加工镜头，经过聚焦加工镜头聚焦的光束用于对固定在加工平台上的工件进行加工；从工件反射回来的少量余光被显微成像CXD组件的光接收端接收，所述显微成像 CXD组件用于对工件的加工过程进行在线监测，显微成像CXD组件的控制信号输入输出端连接控制系统的控制信号输出输入端。所述光束放大组件开普勒扩束镜由第二聚焦透镜和第三聚焦透镜组成，经第四反射镜反射的反射光束经第二聚焦透镜和第三聚焦透镜扩束后入射至第五反射镜。所述第二聚焦透镜的焦距为40mm，第三聚焦透镜的焦距为100mm，第二聚焦透镜和第三聚焦透镜的中心距离为140mm。它还包括外接放大器激活介质，外接放大器激活介质设置在第三反射镜和倍频发生器LBO晶体之间，第三反射镜反射的光束入射至外接放大器激活介质，经外接放大器激活介质放大能量的光束输出入射至倍频发生器LBO晶体；所述外接放大器激活介质为 NdiYVO4 晶体。所述光频隔离器由两个偏光镜和一个法拉第旋转体组成。一种基于上述超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置的加工超疏水性微结构表面的方法，它包括以下步骤步骤一将表面粗糙度Ra小于5 u m、平行度小于10 y m的钢材料工件固定在加工平台19Z向导轨带动的表面上；步骤二 调节光路，使聚焦加工镜头聚焦的光束的焦点落在工件表面的加工点上；
用探针E对工件的表面进行探测，确定工件与聚焦加工镜头聚焦的光束的焦点之间的相对位置，使加工过程处于在焦加工状态；步骤三通过加工平台的X向导轨和Y向导轨的复合运动来带动工件运动,产生与所述聚焦加工镜头聚焦的光束的焦点的相对运动，来形成对工件表面的加工轨迹。步骤二中所述的调节光路的具体过程为由超快皮秒脉冲激光源发射红外波段的超快激光束，经过内置的再生放大器放大后，由光频隔离器的第一个偏光镜产生线偏振光束，然后该线偏振光束由光频隔离器的法拉第旋转体旋转45°，再经光频隔离器的第二个偏光镜产生线偏振光束；调整半波片进而调整其出射光束的角度,使第一聚焦透镜汇聚的光束在外接放大器激活介质内进行放大，并且经过外接放大器激活介质放大后的光束直径小于I. 5mm ；经放大组件开普勒扩束镜扩束后的光束直径为5_，以适合与聚焦加工镜头的通光口径匹配。所述超快皮秒脉冲激光源发射的红外波段的超快激光束的脉冲宽度为8. Ips,波长为1064nm，重复频率为l_640kHz，最大单脉冲能量为100 y J ;经倍频发生器LBO晶体变换波长后光束的波长为532nm。所述加工平台沿X向导轨和Y向导轨，在加工超疏水功能性微结构表面过程中的运动速度范围均为100mm/mi n~1000mm/mi n。加工本发明所述的超疏水功能性微结构过程中，聚焦加工镜头的焦距调节范围为 50-150mm,两条相邻加工轨迹线之间的扫描间距为3_15 u m,整个加工过程中的扫描次数为
3-10次，功率密度范围为0. 4J/cm2-2. 4J/cm2。本发明的优点是本发明采用超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构，有效地解决了在诸如模具钢材料表面制备超疏水性微结构表面时所存在的低效率、高投入、工艺复杂、技术不易推广等问题。在本发明中，最高加工速度可达1000mm/min，使加工一块面积为 5X 5mm2的超疏水性微结构表面的时间仅为lOmin，而用飞秒激光、气相沉积或者刻蚀等技术则需要至少lh。而且本发明的加工方法实现了一次加工成形，无需任何后续加工处理就可以使具有微纳双重结构的微结构元件具备超疏水等功能特性，而且具有长期的功能稳定性。本发明方法对环境没有任何的要求，并且对环境无污染，工艺简单，因此容易推广。本发明很好的实现了超疏水性微结构表面的制备，从而实现了具有自洁性功能化微结构表面的高效、低成本和绿色生产。
图I为本发明的加工功能性微结构装置的光路结构示意图；图2为加工平台的结构示意图；图中C为经过聚焦加工镜头聚焦的光束，E为探针;图3为本发明所述超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的不意图；图中A 为工件的基体材料，B为工件的加工表面形成的微结构；图4为工件未加工的表面与液滴的接触角状态示意图；图中D为液滴；图5为工件采用本发明方法加工出具有微纳双重结构的表面与液滴的接触角状态示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I和图2说明本实施方式，本实施方式所述超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置，它包括超快皮秒脉冲激光源I、光频隔离器2、 第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、第四反射镜3-4、第五反射镜3-5、旋转液晶偏振片4、偏振分束器5、第一束流收集器6-1、第二束流收集器6-2、半波片7、第一聚焦透镜8、倍频发生器LBO晶体10、分色镜11、控光装置12、光束轮廓曲线仪13、光束放大组件开普勒扩束镜16、聚焦加工镜头17、加工平台19、显微成像CXD组件20和控制系统21，超快皮秒脉冲激光源I发射的激光束经过内置的再生放大器放大后入射至光频隔离器2，通过光频隔离器2的光束由第一反射镜3-1进行反射，第一反射镜3-1的反射光束经旋转液晶偏振片4形成偏振光束，该偏振光束入射至偏振分束器5，经偏振分束器5的偏振分束，光束被分为两个部分，一部分被反射的反射光束被第一束流收集器6-1的光探测端接收，另一部分光束经半波片7入射至第一聚焦透镜8，该第一聚焦透镜8的出射光束入射至第二反射镜3-2进行反射，第二反射镜3-2的反射光束再经第三反射镜3-3反射后， 入射至倍频发生器LBO晶体10，光束经倍频发生器LBO晶体10变换波长后，波长由1064nm 变为532nm，变换波长后的光束入射至分色镜11，混杂在波长532nm光束中的1064nm的光束经分色镜11反射后，反射光束被第二束流收集器6-2的光探测端接收，而波长为532nm 的光束经分色镜11入射至控光装置12，控光装置12的出射光束入射至第四反射镜3-4，经第四反射镜3-4反射的反射光束经光束放大组件开普勒扩束镜16扩束后入射至第五反射镜3-5，经第四反射镜3-4透射的少量透射余光被光束轮廓曲线仪13的光探测端接收，被光束放大组件开普勒扩束镜16扩束的光束经第五反射镜3-5反射的光束入射至聚焦加工镜头17，经过聚焦加工镜头17聚焦的光束用于对固定在加工平台19上的工件18进行加工；从工件18反射回来的少量余光被显微成像CXD组件20的光接收端，所述显微成像CXD组件20用于对工件18的加工过程进行在线监测，显微成像CXD组件20的控制信号输入输出端连接控制系统21的控制信号输出输入端。本实施方式中，第一反射镜3-1、第二反射镜3-2和第三反射镜3-3用于反射超快皮秒脉冲激光源I发出的波长为1064nm的激光束，经过倍频发生器LBO晶体10后，1064nm 的红外激光束变成波长为532nm的绿光，第四反射镜3_4和第五反射镜3_5用于反射波长为532nm的绿光。透过反射镜3-4的少量余光被光束轮廓曲线仪13接收，用以监测光束的轮廓。控制系统21主要用于对以下元件的控制控制超快皮秒脉冲激光源I的启动、关闭；对旋转液晶偏振片4通过旋转其角度位置，调节输出能量的大小；对倍频发生器LBO晶体10的控制；控制光束轮廓曲线仪13用于检测光束的输廓；对加工平台19的调整，如运动的速度、加速度等；对显微成像CXD组件20的控制。
具体实施方式
二 下面结合图I说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述光束放大组件开普勒扩束镜16由第二聚焦透镜14和第三聚焦透镜15组成，经第四反射镜3-4反射的反射光束经第二聚焦透镜14和第三聚焦透镜15扩束后入射至第五反射镜3-5。光束放大组件开普勒扩束镜16扩束的主要目的就是把光束的直径加大，从而用后续的光学元件来提高光束自身的质量。本发明中，经光束放大组件开普勒扩束镜16扩束后的光束要与聚焦加工镜头17的通光口径相适应。
具体实施方式
三本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述第二聚焦透镜 14的焦距为40mm，第三聚焦透镜15的焦距为100mm，第二聚焦透镜14和第三聚焦透镜15 的中心距离为140mm。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，本实施方式还包括外接放大器激活介质9，外接放大器激活介质9设置在第三反射镜3-3和倍频发生器 LBO晶体10之间，第三反射镜3-3反射的光束入射至外接放大器激活介质9，经外接放大器激活介质9放大能量的光束输出入射至倍频发生器LBO晶体10 ;所述外接放大器激活介质 9为NdiYVO4晶体。本实施方式是为了提高超快皮秒脉冲激光源I输出的激光束的能量。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述光频隔离器2由两个偏光镜和一个法拉第旋转体组成。
具体实施方式
六下面结合图I和图2说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一至五中任一实施方式所述超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置的加工超疏水性微结构表面的方法，它包括以下步骤步骤一将表面粗糙度Ra小于5 U m、平行度小于10 ii m的钢材料工件18固定在加工平台19Z向导轨带动的表面上；步骤二 调节光路，使聚焦加工镜头17聚焦的光束的焦点落在工件18表面的加工点上；用探针E对工件18的表面进行探测，确定工件18与聚焦加工镜头17聚焦的光束的焦点之间的相对位置，使加工过程处于在焦加工状态；步骤三通过加工平台19的X向导轨和Y向导轨的复合运动来带动工件18运动， 产生与所述聚焦加工镜头17聚焦的光束的焦点的相对运动，来形成对工件18表面的加工轨迹。本实施方式中所述的整个光路可在铝管中进行传播，以避免由于光束在传播过程中的散射、反射等对操作者造成的伤害。本实施方式的步骤一中对工件18平行度的要求，是为了保证在整个加工过程中， 都在聚焦加工镜头17聚焦的光束的焦点位置进行加工。要求工件18具有较光滑的表面， 主要是为了减少在实际加工过程中光束的散射、反射等，从而避免造成输入能量的损失。在步骤一和步骤二中，工件18与聚焦加工镜头17要始终保持平行的状态，从而保证聚焦加工镜头17聚焦的焦点在加工过程中一直在工件18的初始平面上加工。
具体实施方式
七下面结合图I说明本实施方式，本实施方式为对实施方式六的进一步说明，步骤二中所述的调节光路的具体过程为由超快皮秒脉冲激光源I发射红外波段的超快激光束，经过内置的再生放大器放大后，由光频隔离器2的第一个偏光镜产生线偏振光束,然后该线偏振光束由光频隔离器2 的法拉第旋转体旋转45°，再经光频隔离器2的第二个偏光镜产生线偏振光束；调整半波片7进而调整其出射光束的角度，使第一聚焦透镜8汇聚的光束在外接放大器激活介质9内进行放大，并且经过外接放大器激活介质9放大后的光束直径小于
经放大组件开普勒扩束镜16扩束后的光束直径为5mm，以适合与聚焦加工镜头17 的通光口径匹配。
具体实施方式
八本实施方式为对实施方式六或七的进一步说明，所述超快皮秒脉冲激光源I发射的红外波段的超快激光束的脉冲宽度为8. lps，波长为1064nm，重复频率为l_640kHz，最大单脉冲能量为100 u J ;经倍频发生器LBO晶体10变换波长后光束的波长为 532nm。本实施方式所述超快皮秒脉冲激光源I发射的红外波段的超快激光束的脉冲稳定性小于1% rms，光束质量M2 < I. I。本实施方式采用的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性功能微结构，用到的最高重复频率达200kHz，从而在保证工件18的单位面积上吸收一定量的脉冲个数之后，可以应用非常高的加工速度，如1000mm/min。这就极大的提高了加工功能性微结构表面的加工效率。 从而降低了加工成本及工艺的复杂性。
具体实施方式
九本实施方式为对实施方式六、七或八的进一步说明，所述加工平台19沿X向导轨和Y向导轨，在加工超疏水功能性微结构表面过程中的运动速度范围均为 100mm/min~1000mm/min。本实施方式中所述的运动速度范围指的是加工超疏水性微结构时加工平台19的运动速度。
具体实施方式
十下面结合图I至图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式六、七、八或九的进一步说明，加工本发明所述的超疏水功能性微结构过程中，聚焦加工镜头17的焦距调节范围为50-150mm，两条相邻加工轨迹线之间的扫描间距为3-15iim，整个加工过程中的扫描次数为3-10次，功率密度范围是为0. 4J/cm2-2. 4J/cm2。所述聚焦加工镜头17可以采用焦距为50mm、70mm、IOOmm或150mm的焦距透镜来实现。本发明中第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、第四反射镜3_4和第五反射镜3-5均为电介质反射镜，倍频发生器LBO晶体10需置于精密温度控制箱中，由第二聚焦透镜14和第三聚焦透镜15组成的光束放大组件开普勒扩束镜16用于对光束进行扩束。超快皮秒脉冲激光源I产生的超快激光经过内置的再生放大器放大之后通过光频隔离器2，光频隔离器2可以有效的保护内置的再生放大器中的光学元件不会受到从工件18反射回来并经过外接放大器激活介质9Nd:YV04晶体放大之后的光束的破坏。光频隔离器2由两个偏光镜和一个法拉第旋转体组成,第一个偏光镜产生线性偏振光,然后光束的偏振方向由法拉第旋转体旋转45° ,以便相对于第一个偏光镜而言,第二个偏光镜还能旋转45°，从而使光束能够顺利穿过光频隔离器2。从工件18反射回来的光束由第二个偏光镜进行极化，并且它的偏振方向由法拉第旋转体旋转45°，这就意味着光束被水平极化了。由于两个偏光镜是垂直布局的，因此光线可以被消除，并且由工件18反射回来的光线也不会对再生放大器中的光学元件造成破坏。使本发明的整个光路系统的激光束在铝管中传播，并且由第一反射镜3-1进行反射，然后光束通过由旋转液晶偏振片4、偏振分束器5和第一束流收集器6-1组成的快速光束功率控制单元。旋转液晶偏振片4是液晶补偿可变延迟器(LCR)与零级聚合体X/4波片延迟器的集合体。这些元器件的组合就可以依据应用到LCR的电压和在其后的用来分离 s和p偏振的元件来调整输入光束的线性偏振。在内置的再生放大器的输出端，与地面相互垂直的表面就被线性极化。因此偏振分束器5就可以反射被垂直极化了的光束部分，被传播的光束则进一步放大。内置的再生放大器的所有光束能量都可以被使用，因为衰减器的传播效率可高达100%。随后，光束通过一个半波片7来调整到合适的角度来满足放大时对偏振的要求， 并且被汇聚来满足在外接放大器激活介质9内进行放大的最佳条件。置于第一聚焦透镜8 和外接放大器激活介质9之间的第二反射镜3-2和第三反射镜3-3就是为了光束的调整。 通过计算求得第一聚焦透镜8的焦距值，来满足最佳匹配模式的要求，这样光束经过外接放大器激活介质9之后就可以达到完好的校准，而无需后续的聚焦光学元件。经过外接放大器激活介质9之后的光束直径小于I. 5_。紧跟着外接放大器激活介质9之后的是一个倍频发生器LBO晶体10，在LBO (三硼酸锂LiB3O5)晶体里，最开始1064nm的红外激光经过非线性过程转化为可见的532nm的绿光。由于倍频发生器LBO晶体10在148. 33°C时不是严格的相位匹配，因此在工作中该晶体会被加热，并且该晶体的温度要被严格的控制。倍频发生器LBO晶体10是标准的将光的波长降为输入光束的一半的装置，它是一个热敏感元件。具有一个第二束流收集器6-2的分色镜11，对仍是红外波段的光束起到过滤的作用，然后光束通过控光装置12，它可以保护NchYVO4晶体，因为从侧面反射回来的光很有可能会破坏该晶体。然后光束经置于控光装置12和用以检测光束轮廓的光束轮廓曲线仪13之间的第四反射镜3-4反射传送到光束放大组件开普勒扩束镜16，并经扩束之后，光斑直径可达 5mm。选用这个值不仅是为了紧聚焦，也为了适应微加工的聚焦加工镜头17的最大通光口径的需要。光束放大组件开普勒扩束镜16由第二聚焦透镜14和第三聚焦透镜15组成，前一透镜的焦距为40mm，后者的透镜焦距为100mm，两个透镜之间的中心距离为140mm。最终，经过光束放大组件开普勒扩束镜16扩束的光束经过第五反射镜3-5后到达聚焦加工镜头17处，经过聚焦的光束可以对固定在加工平台19上的工件18进行加工，同时，整个系统的加工过程可以通过显微成像CXD组件20传递给控制系统21进行在线监测， 同时显微成像CXD组件20还可以用于辅助焦点位置的在线观测。整个超快激光微加工及光路系统由控制系统21进行操作及相关控制。本发明对表面光滑的工件18不需要进行任何处理就可以直接进行加工。工件18 固定在加工平台19的X-Y平面上；聚焦加工镜头17聚焦的光束与Z向导轨平行。工件18 在完成超疏水性微结构表面的加工之后，无需任何后处理便可依托在材料表面形成的微纳双重结构使其具有超疏水的功能特性。本发明适用于多种功能性材料表面的加工。
权利要求
1.超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置，其特征在于它包括超快皮秒脉冲激光源(I)、光频隔离器(2)、第一反射镜(3-1)、第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)、 第四反射镜(3-4)、第五反射镜(3-5)、旋转液晶偏振片(4)、偏振分束器(5)、第一束流收集器￠-1)、第二束流收集器￠-2)、半波片(7)、第一聚焦透镜(8)、倍频发生器LBO晶体(10)、分色镜(11)、控光装置(12)、光束轮廓曲线仪(13)、光束放大组件开普勒扩束镜(16)、聚焦加工镜头(17)、加工平台(19)、显微成像C⑶组件(20)和控制系统(21)， 超快皮秒脉冲激光源(I)发射的激光束经过内置的再生放大器放大后入射至光频隔离器(2)，通过光频隔离器(2)的光束由第一反射镜(3-1)进行反射，第一反射镜(3-1)的反射光束经旋转液晶偏振片(4)形成偏振光束,该偏振光束入射至偏振分束器(5)，经偏振分束器(5)的偏振分束，光束被分为两个部分，一部分被反射的反射光束被第一束流收集器(6-1)的光探测端接收，另一部分光束经半波片(7)入射至第一聚焦透镜(8)，该第一聚焦透镜(8)的出射光束入射至第二反射镜(3-2)进行反射，第二反射镜(3-2)的反射光束再经第三反射镜(3-3)反射后，入射至倍频发生器LBO晶体(10)，光束经倍频发生器LBO 晶体(10)变换波长后，波长由1064nm变为532nm，变换波长后的光束入射至分色镜(11)， 混杂在波长532nm光束中的1064nm的光束经分色镜(11)反射后，反射光束被第二束流收集器(6-2)的光探测端接收，而波长为532nm的光束经分色镜(11)入射至控光装置(12)， 控光装置(12)的出射光束入射至第四反射镜(3-4)，经第四反射镜(3-4)反射的反射光束经光束放大组件开普勒扩束镜(16)扩束后入射至第五反射镜(3-5)，经第四反射镜(3-4) 透射的少量透射余光被光束轮廓曲线仪(13)的光探测端接收，被光束放大组件开普勒扩束镜(16)扩束的光束经第五反射镜(3-5)入射至聚焦加工镜头(17)，经过聚焦加工镜头(17)聚焦的光束用于对固定在加工平台(19)上的工件(18)进行加工；从工件(18)反射回来的少量余光被显微成像C⑶组件(20)的光接收端接收，所述显微成像C⑶组件(20)用于对工件(18)的加工过程进行在线监测，显微成像C⑶组件(20) 的控制信号输入输出端连接控制系统(21)的控制信号输出输入端。
2.根据权利要求I所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置，其特征在于所述光束放大组件开普勒扩束镜(16)由第二聚焦透镜(14)和第三聚焦透镜(15)组成，经第四反射镜(3-4)反射的反射光束经第二聚焦透镜(14)和第三聚焦透镜(15)扩束后入射至第五反射镜(3-5)。
3.根据权利要求2所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置，其特征在于所述第二聚焦透镜(14)的焦距为40mm，第三聚焦透镜(15)的焦距为100mm，第二聚焦透镜(14)和第三聚焦透镜(15)的中心距离为140mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置， 其特征在于它还包括外接放大器激活介质(9)，外接放大器激活介质(9)设置在第三反射镜(3-3)和倍频发生器LBO晶体(10)之间，第三反射镜(3-3)反射的光束入射至外接放大器激活介质(9)，经外接放大器激活介质(9)放大能量的光束输出入射至倍频发生器LBO晶体(10);所述外接放大器激活介质(9)为Nd = YVO4晶体。
5.根据权利要求4所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置，其特征在于所述光频隔离器(2)由两个偏光镜和一个法拉第旋转体组成。
6.一种基于权利要求I所述超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置的加工超疏水性微结构表面的方法，其特征在于它包括以下步骤步骤一将表面粗糙度Ra小于5 μ m、平行度小于10 μ m的钢材料工件(18)固定在加工平台(19)Z向导轨带动的表面上；步骤二 调节光路，使聚焦加工镜头(17)聚焦的光束的焦点落在工件(18)表面的加工点上；用探针E对工件(18)的表面进行探测，确定工件(18)与聚焦加工镜头(17)聚焦的光束的焦点之间的相对位置，使加工过程处于在焦加工状态；步骤三通过加工平台(19)的X向导轨和Y向导轨的复合运动来带动工件(18)运动， 产生与所述聚焦加工镜头(17)聚焦的光束的焦点的相对运动，来形成对工件(18)表面的加工轨迹。
7.根据权利要求6所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的方法，其特征在于步骤二中所述的调节光路的具体过程为由超快皮秒脉冲激光源(I)发射红外波段的超快激光束，经过内置的再生放大器放大后，由光频隔离器(2)的第一个偏光镜产生线偏振光束，然后该线偏振光束由光频隔离器(2)的法拉第旋转体旋转45°，再经光频隔离器(2)的第二个偏光镜产生线偏振光束；调整半波片(7)进而调整其出射光束的角度，使第一聚焦透镜(8)汇聚的光束在外接放大器激活介质(9)内进行放大，并且经过外接放大器激活介质(9)放大后的光束直径小于 I. 5mm ；经放大组件开普勒扩束镜(16)扩束后的光束直径为5mm，以适合与聚焦加工镜头(17) 的通光口径匹配。
8.根据权利要求7所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的方法，其特征在于所述超快皮秒脉冲激光源(I)发射的红外波段的超快激光束的脉冲宽度为8. Ips, 波长为1064nm，重复频率为l_640kHz，最大单脉冲能量为100 μ J ;经倍频发生器LBO晶体(10)变换波长后的光束的波长为532nm。
9.根据权利要求8所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的方法，其特征在于所述加工平台(19)沿X向导轨和Y向导轨，在加工超疏水功能性微结构表面过程中的运动速度范围均为100mm/min-1000mm/min。
10.根据权利要求9所述的超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的方法，其特征在于加工超疏水功能性微结构过程中，所述聚焦加工镜头(17)的焦距调节范围为 50-150mm，两条相邻加工轨迹线之间的扫描间距为3_15 μ m，整个加工过程中的扫描次数为 3-10次，功率密度范围为O. 4J/cm2-2. 4J/cm2。
全文摘要
超快皮秒脉冲激光加工超疏水性微结构表面的装置及方法，属于功能性微结构表面的制备领域。为了解决现有功能性元件的加工工艺和加工技术存在的高投入和低产出的问题。本发明的装置包括超快皮秒脉冲激光源、光频隔离器、五个反射镜、旋转液晶偏振片、偏振分束器、两个束流收集器、半波片、聚焦透镜、倍频发生器LBO晶体、分色镜、控光装置、光束轮廓曲线仪、光束放大组件开普勒扩束镜、聚焦加工镜头、加工平台、显微成像CCD组件和控制系统，本发明所述的方法将钢材料工件固定在加工平台Z向导轨带动表面上；调节光路；用探针对工件表面探测；通过加工平台X向和Y向导轨的运动带动工件运动。用于超疏水性微结构表面的制备。
文档编号B23K26/04GK102581478SQ20121001893
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者于欣, 姜涛, 张珊珊, 董志伟, 赵清亮 申请人:哈尔滨工业大学