[发明专利]电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体而言，涉及一种电场辅助下飞秒激光 制备可控弯孔的方法。

背景技术

飞秒激光具有超快、超强的特性，其加工是一个受到诸多因素影响的 非线性/非平衡复杂过程，具有独特的加工机理。由于其超强特性，飞秒激 光几乎可以加工所有材料[NaturePhotonics，2(4)：219-225(2008)]。飞秒激光 加工的微孔拥有精度高、几乎无重铸、大深径比等特点，在精密加工领域 备受关注并被广泛应用。目前，飞秒激光打孔已经成为热门的微孔加工方 式。

飞秒激光打孔主要用于加工大深径比的直孔，同时也可加工弯孔，但 其加工的弯孔是杂乱无章的。在仿生学上，壁虎脚有很大的黏附力，这样 强大的黏附力是由每只壁虎脚上大约5000/mm2根极细的刚毛触角造成的 [Nature405，681(2000)]。在仿生学应用上，弯的刚毛制备需要弯孔阵列 模具，这对可控弯孔加工提出了需求。

飞秒激光打孔过程中，飞秒激光与材料作用时会产生大量的电子、离 子等喷射物，喷射物从孔径中排出时会阻碍飞秒激光的传播，从而影响光 的传播方向，进而形成弯孔。通过外加辅助电场调控产生的电子、离子等 喷射物排出的方向，可以调控光传播的方向，控制弯孔的方向与弯曲弧度， 从而实现可控弯孔的加工。

通过飞秒激光加工出的弯孔阵列经过处理后，可用作模板。把多孔氧 化铝模板放入聚苯乙烯(PS)溶液中，使薄PS层覆盖到氧化铝孔洞的内 壁，24小时后，用NaOH溶液溶解掉氧化铝模板，于是得到了阵列PS 纳米管膜[Adv.Mater，17：1977(2005)]。PS纳米管膜经过后期处理后可用来 制作仿生刚毛触角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格低廉、性质稳定、环境友好，制备工 艺简单高效的电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法。

本发明提供了一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，包括如 下步骤：

一种电场辅助下飞秒激光制备可控弯孔的方法，方法需要的装置包括： 飞秒激光发生器，可调节强度的电场和六维移动平台。

进一步地，方法步骤包括：步骤1，将氧化铝材料在丙酮、无水乙醇、 去离子水中分别超声清洗5分钟；步骤2，将氧化铝材料固定在六维移动 平台上，飞秒激光发生器产生的飞秒激光经过5X物镜聚集到氧化铝材料 上，飞秒激光形成的光路与平台成α角；步骤3，调节飞秒激光的能量、 重复频率、脉冲数等参数控制微孔的深径比，同时调节电场强度控制微孔 弯曲的方向和弧度；步骤4，将加工后的氧化铝材料从六维移动平台上取 下，在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟。

进一步地，调节六维移动平台平移的距离和加工光路中机械开关开启 和关闭的时间，可以控制相邻微孔之间的间距。

进一步地，调节飞秒激光的能量、重复频率、脉冲数等参数，可以控 制加工出弯孔的孔径在20um-50um。

进一步地，可调节强度的电场由可调节电压的直流电压源与两个电压 板组成，通过控制直流电压源电压进而控制电场的强度和方向，可以控制 弯孔的初始弯曲方向与弯曲弧度；

一、选用氧化铝等材料进行预处理，在丙酮、无水乙醇、去离子水中 分别超声清洗5分钟。

二、将清洗后的材料放置于六维移动平台上，中心波长为800nm，脉 宽为50fs，重复频率为大于100Hz的飞秒激光经5X物镜聚焦到材料表面， 控制飞秒激光参数、倾斜角度α、电场强度等参数，在表面加工出阵列的 弯孔，加工完毕后即可得到均匀一致的弯孔阵列。

三、飞秒激光加工完毕后，将氧化铝材料在丙酮、无水乙醇、去离子 水中分别超声清洗5分钟。

上述制备方法中，在步骤二加工过程中调节飞秒激光的单脉冲能量和加工 脉冲数，可以控制加工出弯孔的孔径。具体而言，单脉冲能量在30uJ-50uJ 范围内逐渐增加时，微孔的平均孔径会从20um逐步增加到40um；在某 一确定能量下，随着脉冲数从300增加到1000，微通孔入口孔径几乎不会 发生变化，而孔径的深度会随着脉冲数增加近似呈现线性增加，材料不同， 线性增加的程度会略有差异；随着重复频率的增加弯曲的弧度也会呈现出 增加的趋势。

上述制备方法中，在步骤二加工过程中修改倾斜角度和直流电压源的电压， 可以调节初始的弯曲方向和弯孔的弧度。