[发明专利]利用超快激光在靶材表面制备大面积微光栅的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光表面处理技术领域，尤其是一种利用超快激光在靶材表面制备大面积微光栅的方法及装置。

背景技术

材料表面上的微结构常常使材料表现出很多特殊性质。比如：荷叶表面生长的微纳米乳突结构使得叶面与水珠的接触角变大，从而使荷叶具有了超疏水性及自洁性，获得了“出淤泥而不染”的美名；壁虎的爪子上同样也密布着褶皱与绒毛，这种微纳米结构增大了壁虎与墙壁的接触面积，增强了范德华氏力的作用，使得壁虎可以在墙壁上爬行自如。利用自然界的现象改造我们的现实世界是人类的最大梦想，研究者们已经发现利用这些微纳米结构，可以改善飞行器机身的疏水特性，防止结冰发生危险；可以利用微纳米结构的超摩擦特性制作MEMS器件；可以在钨灯丝上引入微纳米结构，使灯光的发光效率明显改善等。人们已经研究出多种方法在材料表面获得这种微结构，比如表面涂层、化学腐蚀、激光处理等，其中激光表面处理技术在近几年发展较快。

激光表面处理，具有定位精确、非接触、快速成型等优点。但一般的连续激光或者长脉冲激光，只能在材料表面加工大口径的孔洞或者微槽等结构，很难获得一致性较好的微纳米结构,同时由于热效应的存在，材料表面层会出现熔化、相变等过程，使材料本身发生变化。超快激光作为新一代超短脉冲激光，除了具有一般激光表面处理的优势外，还兼有几乎无热影响区、可直写诱导产生纳米级结构等特点，这使利用超快激光对材料表面直接诱导产生微纳米光栅结构成为可能。

利用超快激光对材料表面处理的最大应用瓶颈在于飞秒激光的运行成本较高。现有的激光直写技术一般是利用单透镜将激光聚焦，焦点直径为50um左右，如此大小的加工区域是很难实现大面积处理的。目前并未见到提出实现超快激光对材料表面大面积处理的报道。因此，急需一种能够在靶材表面制备大面积微光栅结构的方法及装置。

发明内容

针对上述技术的不足之处，本发明提供一种能够在靶材表面制备大面积微光栅结构的利用超快激光在靶材表面制备大面积微光栅的方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供一种利用超快激光在靶材表面制备大面积微光栅的方法，包括以下步骤：

100、通过改变超快激光的出射光路，以调整出射光束的能量以及偏振方向；

101、通过分光片组将改变光路后的偏振光束分为多路能量相等的分束光束；

102、通过柱面透镜组将出多路分束光束聚焦为能够在靶材表面形成微光栅结构的多路并行线性聚焦线光斑；

103、通过样品控制台对靶材的位置进行控制，使多路线性聚焦线光斑能够在靶材表面进行全面扫描，以形成大面积的微光栅结构。

步骤100中包括以下步骤：

（a）、超快激光通过衰减片后，使出射光束的能量达到能够在靶材表面产生微光栅结构时的烧蚀阈值；

（b）、出射光束入射至半波片中，通过半波片将出射光束的偏振方向调整为与期望的微光栅条纹相垂直的方向。

步骤101中，多个分光片采用水平方式呈等间距排列，所述分光片使镜片的法线方向与光束方向形成45°的夹角，以保证分束光束与入射光路相垂直，且透过的分束光束保持方向不变。

在步骤102中，多个所述柱面透镜采用水平方式呈等间距排列并且与平台相平行，以使聚焦后的线性聚焦线光斑与平台相平行。

在步骤103中，所述样品控制台对靶材的横向位置与纵向位置进行控制，将所述靶材的表面位于柱面透镜的焦线处，使多路线性聚焦线光斑能够在靶材表面进行全面扫描，以形成大面积的微光栅结构。

所述超快激光为不同波长的飞秒激光或皮秒激光。

本发明同时还提供一种利用超快激光在靶材表面制备大面积微光栅的装置，在超快激光的传播光路上依次设有衰减片、半波片、分光片组与柱面透镜组，所述衰减片、所述半波片、所述分光片组与所述柱面透镜组设置在同一平台上；所述分束片组由多个水平方式并且呈等间距排列的分光片构成，所述分光片使镜片的法线方向与光束方向形成45°的夹角；所述柱面透镜组垂直设置在所述分光片组后的光路上，所述柱面透镜组采用水平方式呈等间距排列并且与平台相平行的柱面透镜构成。

由激光器输出的超快激光入射至所述衰减片中，经所述衰减片调整出射光束的能量；出射光束入射至半波片中，经半波片调整入射光束的偏振方向以形成偏振光束；偏振光束入射至分光片组中，经分光片组将偏振光束分为多路能量相同的分束光束；多路分束光束入射至所述柱面透镜组，经所述柱面透镜组将出多路分束光束聚焦为能够在靶材表面形成微光栅结构的多路线性聚焦线光斑。