[发明专利]一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统

说明书

本发明涉及一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，属于飞秒激光应用技术领域。本发明的制备系统，利用脉冲整形器与相位型空间光调制器，通过设计双脉冲的子脉冲延时与子脉冲能量比，加载特定相位，将单束高斯分布的飞秒激光单脉冲整形成为具有特定时域分布与空间分布的多焦点双脉冲飞秒激光。通过设定激光重复频率与扫描参数，最后利用平移台运动实现激光直写，在样品表面加工出有序的微纳复合结构，最终制备出大面积、高质量的超疏水表面。由于时域整形得到的双脉冲子脉冲能量相比于传统飞秒激光较低，能够减少热应力的生成，因此加工得到的微纳结构力学性能较好。本发明制备系统具有较高的效率以及较低的热应力。

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

自然界中的许多现象，比如荷叶的出淤泥而不染、壁虎的贴墙直走、水黾的水上行走都离不开超疏水现象。而在生产生活中，超疏水表面作为一种功能性表面，在自清洁、抗腐蚀、流体减阻、油水分离等领域也都有着非常广泛的应用。对于某种材料表面的疏水性最有效的检测办法是测量水在该表面上的静态接触角，如果接触角大于90°，该表面为疏水表面。而在接触角超过150°的情况下，该表面可以被认定为是超疏水表面。

超疏水作为材料的浸润性，是由材料表面的化学组成与微观形貌所共同决定的。当材料表面具有有序的微纳米结构的情况下，在水与材料相接触时，会有一部分空气进入到水与这些结构之间的空隙中，使得水珠与材料的接触面积大大减小。同时由于水的表面张力作用，使得水滴在材料表面呈球形，接触角超过150°，可在表面自由滚动。这也是超疏水表面自清洁，抗腐蚀，减阻等特性的来源。

目前，常用来制备超疏水表面结构的手段主要有模板法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电化学方法、激光和等离子体刻蚀法，光刻法等等。如Sheng通过在氧化铝模板上挤压，成功制备出表面具有疏水性纳米结构的高密度乙烯纳米纤维(HDPE)。Weibel等人则是通过化学刻蚀获得具有微米结构的铝表面，再通过阳极氧化在微米结构上获得纳米结构，最后进行表面疏水化得到超疏水表面。这些方法大多数步骤繁杂，且限制居多。比如模板法在价格较贵的同时，很难加工尺寸较大的材料。而电化学与化学刻蚀方法虽然便宜，但效率较低，耗时较长，所得到的超疏水表面也较不均匀，容易出现应力缺陷。光刻技术则是由于其昂贵的设备与繁杂的工序，带来诸多不便。而飞秒激光作为一种近年来新兴技术，在微纳加工领域具有高功率、高一致性与重复性等优势，将其应用到微纳米复合结构加工上，能成功实现超疏水表面的制备。例如专利飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置(申请号201410788485.5)描述了一种飞秒激光直接诱导微纳米结构的方法与装置，实现一步制备超疏水表面。但该方法并未对飞秒激光进行任何整形，由于飞秒激光放大级的能量一般较高，单个脉冲能量在mJ量级，重复频率一般较低，最高为1KHz左右，因此，应用传统的飞秒激光制备超疏水表面，在一定程度上仍具有效率较低，存在热应力等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于飞秒激光时空整形的超疏水表面制备系统，采用时空整形技术，对传统时域上以及空间上均呈高斯分布的飞秒激光进行调控，将具有特定时域分布与空间分布的被整形激光聚焦到被加工样品表面，一步直写出微纳米结构，实现高效率，且热应力较小的超疏水表面的制备。