[发明专利]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

说明书

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CCD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；