CN109277692A - 聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，属于飞秒激光应用领域；本发明基于局域瞬态电子调控，通过光学延迟线把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的脉冲链，使得脉冲间隔可调，同时激光能量可用可连续调节的衰减片调节，通过半透半反镜使两束光在空间上重合。控制精密加工平台移动的速率，飞秒激光每隔固定的距离在聚二甲基硅氧烷材料表面作用一组脉冲对；利用超声波水浴辅助，将刻蚀后的样品在去离子水中彻底清洗干净。本发明通过调整脉冲参数（脉冲间隔、脉冲能量），可加工表面光滑以及表面周期性纳米条纹对比度可控的凹面微结构。并且具有高效率、低成本、凹面微纳结构形貌可控等优点。

Description

聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法

技术领域

本发明涉及一种聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，其中利用飞秒激光双脉冲的脉冲间隔可调性，使得加工的PDMS表面的周期性纳米条纹对比度可控，属于飞秒激光应用领域。

背景技术

材料表面的微纳米结构对于控制材料表面的性能有着很重要的作用，这些性能包括：光学性能、机械性能、浸润性能、化学性能、生物性能等。表面微纳结构的形貌及尺寸直接影响材料表面的性能，如何对材料表面微纳结构的形貌和尺寸进行调控，制备具有良好性能的材料表面是一个重大的挑战。飞秒激光是一种理想的微纳制造工具之一，由于其超高的峰值功率和超短的脉冲宽度，利用它能在材料表面甚至内部加工出三维微纳结构。由于飞秒激光的超短脉冲宽度抑制了热扩散过程，所以飞秒激光可以在不对亚表面层产生显著影响的情况下改变表面形貌和结构，通过控制激光参数等就可以获得独特的表面微纳结构。然而，飞秒激光诱导表面微纳结构的物理过程非常复杂，其作用机理尚未澄清，而且对于表面微纳结构的调控方式还有一定的局限性，主要是调节激光能量、脉冲宽度、偏振态等，因此需要探索新的调控方式和其内在机制。

发明内容

本发明的目的是为提供一种PDMS表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，解决材料表面微纳结构的调控方式有限的问题。该方法通过采用飞秒激光光学延迟线，基于表面等离子体激发调控，实现对PDMS表面纳米条纹的可控调控。

本发明的思想是基于电子局部瞬态调控，利用飞秒激光线偏振光通过物镜聚焦后作用于PDMS表面，第一个脉冲在PDMS表面激发的电子密度对于整个刻蚀过程比较关键，第二个脉冲作用下激发产生表面等离子体激元(SPPs)，从而形成径向分布的阶梯状温度梯度，通过脉冲间隔和激光能量的调控可得到条纹对比度可控的周期性纳米条纹结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种PDMS表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，包括以下步骤：

步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光，两个子脉冲之间的脉冲间隔可调范围为0～5ps；

步骤二、在光路中加入连续可调衰减片调节激光能量使之大于被加工样品表面的烧蚀阈值，两个子脉冲的能量范围为0～9mW，能量比为1:1；

步骤三、利用数值孔径值为0.3的聚焦物镜对飞秒激光双脉冲进行聚焦；

步骤四、设定精密加工平台移动速度为2000μm/s，使得飞秒激光每隔一段距离在样品表面作用一对脉冲，从而在样品上以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区，最终形成大规模非规则排列的准周期弹坑点阵；

步骤五、通过调节飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲能量，得到不同形貌的表面微纳结构。

所述的作为靶材的目标材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

所述的飞秒激光双脉冲刻蚀，是在脉冲序列总能量及子脉冲能量比例固定的条件下，通过调节两个子脉冲的脉冲间隔，可以调控烧蚀凹面微结构内的周期性纳米条纹的对比度；在两个子脉冲能量为1mW时，当两个子脉冲间隔为0ps时，所加工凹面结构具有周期性纳米条纹；当两个子脉冲间隔为0.2ps以及0.8ps时，可获得表面光滑的凹面结构阵列。

所述的一种实现在PDMS表面加工微纳结构阵列飞秒激光双脉冲的装置，包括：飞秒激光器1，分光镜2，高精度平移台和可精确平移的反射镜3，可连续调节的衰减片4，反光镜5，反光镜6，可连续调节的衰减片7，半透半反镜8，聚焦物镜9，样品10，三维平移台11。连接关系：飞秒激光器1发出的光束通过分光镜2分成两束光，其中一束光经高精度平移台和可精确平移的反射镜3，此平台能改变光线的传播距离，并通过可连续调节的衰减片4；另一束光经过反射镜5、反射镜6和可连续调节的衰减片7，然后两束光经过一个半透半反镜8在空间上重合。最后通过聚焦物镜9垂直地聚焦到样品10表面。样品被固定在由电脑程序控制的三维平移台11上。聚焦后的双脉冲作用在材料表面，便可在目标材料上加工不同间距的点阵阵列。

本发明的优点在于：

1)本发明加工效率及精度非常高，提出了一种利用高重复频率飞秒激光双脉冲快速扫描的方法，能够在1小时之内制备出多达100万个独立的烧蚀凹面光滑的准周期微纳结构单元所构成的阵列。

2)本发明提出了一种利用飞秒激光双脉冲电子动态调控制备微纳结构的方法，通过光学延迟线使得脉冲间隔可调，同时激光能量可通过连续可调衰减片调节，通过调控飞秒激光激发的PDMS表面瞬态电子来控制表面微纳结构的形态，可高效精确加工微纳结构。

3)本发明通过飞秒激光双脉冲辐照被加工材料的表面，第一个脉冲在材料表面加工产生类透镜结构，第二个脉冲调控产生沿光斑中心分布的梯度场，使得材料在第二个脉冲作用下产生周期性的纳米条纹，并且通过调整脉冲间隔和脉冲能量使得周期性纳米条纹对比度可调。

4)本发明通过调节两个子脉冲的脉冲间隔，调控周期性纳米条纹的对比度，可改变加工表面结构，获得光滑烧蚀凹面微结构和具有周期性纳米条纹的烧蚀凹面微结构，实现了飞秒激光的精细调控，极大地提高材料表面处理的加工精度和加工效率，在生物医药等方面具有至关重要的应用价值。

本发明所述的是一种前沿飞秒激光双脉冲加工工艺所得到的高效制备大规模准周期微纳结构阵列的方法，该方法能够在1小时之内制备出多达100万个独立的烧蚀凹面光滑的准周期微纳结构单元构成的阵列。本发明通过调控飞秒激光激发的PDMS表面瞬态电子来控制表面微纳结构的形态，通过调整脉冲间隔和脉冲能量使产生的周期性纳米条纹对比度可调，并获得光滑烧蚀凹面微结构和有纳米条纹结构的烧蚀凹面微结构，实现了飞秒激光的精细调控。

附图说明

图1为飞秒激光双脉冲调控PDMS表面微纳结构制备的加工光路图。

其中，1为飞秒激光器；2为分光镜；3为高精度平移台和可精确平移的反射镜；4为可连续调节的衰减片；5为反光镜；6为反光镜；7为可连续调节的衰减片；8为半透半反镜；9为聚焦物镜；10为样品；11为三维平移台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细叙述。

参照图1，实现本发明时，先要搭建飞秒激光双脉冲微纳加工平台，飞秒激光器1发出的光束通过分光镜2分成两束光，其中一束光经高精度平移台和可精确平移的反射镜3，此平台能改变光线的传播距离，并通过可连续调节的衰减片4；另一束光经过反射镜5、反射镜6和可连续调节的衰减片7，然后两束光经过一个半透半反镜8在空间上重合。最后通过聚焦物镜9垂直地聚焦到样品10表面。样品被固定在由电脑程序控制的三维平移台11上。

实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为30fs，重复频率为1kHz，线偏振。

实施例1

一种PDMS表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光，两个子脉冲之间的脉冲间隔为0ps；

步骤二、在光路中加入可连续调节的衰减片调节激光能量使之大于被加工样品表面的烧蚀阈值，两个子脉冲的能量为1mW，能量比为1:1；

步骤三、利用数值孔径值为0.3的聚焦物镜对飞秒激光双脉冲进行聚焦；

步骤四、设定精密加工平台移动速度为2000μm/s，使得飞秒激光每隔一段距离在样品表面作用一对脉冲，从而在样品上以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区，最终形成大规模非规则排列的准周期弹坑点阵；

步骤五、通过调节飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲能量，得到不同形貌的表面微纳结构。

实现飞秒激光双脉冲在PDMS表面加工微纳结构阵列的加工光路示意图如附图1所示，具体加工过程如下：

1)利用飞秒激光双脉冲辐照样品，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；

2)通过控制高精度平移台和可精确平移的反射镜，将两个子脉冲的脉冲间隔调整为0ps；

3)通过调节衰减片使得两个子脉冲的能量为1mW，其脉冲能量比设置为1:1；

4)计算机控制三维平移台以2000μm/s的速度相对于激光焦点运动，在样品上加工出间隔为20μm的点阵列。

加工结果：得到具有周期性纳米条纹的烧蚀凹面微结构阵列，直径为9.63μm，深度为1.69μm。

实施例2

一种PDMS表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光，两个子脉冲之间的脉冲间隔为0.8ps；

步骤二、在光路中加入可连续调节的衰减片调节激光能量使之大于被加工样品表面的烧蚀阈值，两个子脉冲的能量为1mW，能量比为1:1；

步骤三、利用数值孔径值为0.3的聚焦物镜对飞秒激光双脉冲进行聚焦；

步骤四、设定精密加工平台移动速度为2000μm/s，使得飞秒激光每隔一段距离在样品表面作用一对脉冲，从而在样品上以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区，最终形成大规模非规则排列的准周期弹坑点阵；

步骤五、通过调节飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲能量，得到不同形貌的表面微纳结构。

实现飞秒激光双脉冲在PDMS表面加工微纳结构阵列的加工光路示意图如附图1所示，具体加工过程如下：

1)利用飞秒激光双脉冲辐照样品，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；

2)通过控制高精度平移台和可精确平移的反射镜，将两个子脉冲的脉冲间隔调整为0.8ps；

3)通过调节衰减片使得两个子脉冲的能量为1mW，其脉冲能量比设置为1:1；

4)计算机控制三维平移台以2000μm/s的速度相对于激光焦点运动，在样品上加工出间隔为20μm的点阵列。

加工结果：得到烧蚀凹面光滑的微结构阵列，直径为7.46μm，深度为0.884μm。

实施例3

一种PDMS表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光，两个子脉冲之间的脉冲间隔为0.2ps；

步骤二、在光路中加入可连续调节的衰减片调节激光能量使之大于被加工样品表面的烧蚀阈值，两个子脉冲的能量为1mW，能量比为1:1；

步骤三、利用数值孔径值为0.3的聚焦物镜对飞秒激光双脉冲进行聚焦；

步骤四、设定精密加工平台移动速度为2000μm/s，使得飞秒激光每隔一段距离在样品表面作用一对脉冲，从而在样品上以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区，最终形成大规模非规则排列的准周期弹坑点阵；

步骤五、通过调节飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲能量，得到不同形貌的表面微纳结构。

实现在PDMS表面加工微纳结构阵列飞秒激光双脉冲的加工光路示意图如附图1所示，具体加工过程如下：

1)利用飞秒激光双脉冲辐照样品，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；

2)通过控制高精度平移台和可精确平移的反射镜，将两个子脉冲的脉冲间隔调整为0.2ps；

3)通过调节衰减片使得两个子脉冲的能量为1mW，其脉冲能量比设置为1:1；

4)计算机控制三维平移台以2000μm/s的速度相对于激光焦点运动，在样品上加工出间隔为20μm的点阵列。

加工结果：得到烧蚀凹面光滑的微结构阵列，直径为5.8μm，深度为0.727μm。

Claims (3)

1.聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光，两个子脉冲之间的脉冲间隔可调范围为0~5ps；

步骤二、在光路中加入可连续调节的衰减片调节激光能量使之大于被加工样品表面的烧蚀阈值，两个子脉冲的能量范围为0~9mW，能量比为1:1；

步骤三、利用数值孔径值为0.3的聚焦物镜对飞秒激光双脉冲进行聚焦；

步骤四、设定精密加工平台移动速度为2000mm/s，使得飞秒激光每隔一段距离在样品表面作用一对脉冲，从而在样品上以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区，最终形成大规模非规则排列的准周期弹坑点阵；

步骤五、通过调节飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲能量，得到不同形貌的表面微纳结构。

2.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，所说的微纳结构阵列为非规则准周期阵列。

3.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷表面微纳结构飞秒激光双脉冲调控方法，其特征在于，通过调节飞秒激光两个子脉冲的脉冲间隔，可以调控凹面微结构内的周期性纳米条纹的对比度。