专利名称：基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工技术，尤其涉及一种借助于包 括激光器、导光纤维、聚焦调节装置、运动控制装置等在内的表面加工装置，从而实现表面 图形化的加工技术。属于激光表面加工技术领域。
技术背景材料的表面性能如润滑、摩擦、磨损、界面粘着、界面润湿等，在很大程度上取决于其 表面性质。材料表面的几何结构是重要的材料表面性质之一。材料表面几何结构的制备及其性能研究是近年来表面技术研究的热点之一。通过在材料 表面制备特殊的几何图形(表面织构)，可以获得所需的表面性质，相关的技术具有广阔的应 用前景。根据应用背景的不同，表面织构的特征尺寸通常在毫米量级和微米量级，近年来随 着微纳技术的发展和微纳器件的出现，开始出现对特征尺寸在亚微米和纳米量级的表面微观 几何结构的需求。获得表面几何图形的方法有很多种，如机械加工、电加工、超声加工、激光加工等等， 其中激光表面加工由于具有非接触、可对任何固体材料进行加工、可控性好等优点，因而具 有特别的优势，其应用前景非常广阔。利用激光加工毫米量级和数十微米以上量级织构的技术比较成熟，通常利用聚焦镜对激 光直接聚焦，照射到待加工表面即可获得。但在获得数微米或更小尺寸的微观织构方面，仍 然需要特殊的方法和技术。例如德国技术物理部激光实验室的科学家利用近场光学的方法用532nm倍频YAG激光产生宽10nm的沟道，[黄杰，以激光刻蚀精密微观图形.激光与光 电子学进展，2000年第6期(总第414期)18~20]。但利用近场光学的原理进行表面加工在 实用化方面受到很大的限制；Y.RLu.用石英玻璃微球作为聚焦系统进行激光微纳加工，加工 形貌的特征尺寸可达220-700nm， [Y.F丄u. Laser Material Processing and Characterization at Micro/Nano-scales. Advanced Program on 8th China National Conference on Laser Material Processing—CNCLMP2006]。但微球主要用于点状结构的加工，且在微球的均匀铺展等方面 存在不便；管自生等人利用355nm的紫外激光通过聚焦镜聚焦后直接刻蚀硅表面，得到了宽 度为2-4pm的沟道，[管自生，张强.激光刻蚀硅表面的形貌及其对浸润性的影响.化学学报 2005年,第63巻第10期880 884]。利用普通的聚焦镜直接聚焦进行加工的方法，在进行 微尺度加工时具有一定的局限性。首先，为了获得小聚焦光斑，通常需要使用具有足够小焦 距的聚焦镜，其次，由于镜头距离待加工表面非常近，在加工过程中，由于激光作用导致的材料蒸发和喷射非常容易造成镜头污染。小焦距镜头通常成本较高，从而使得整体加工成本 较高。本发明基于导光纤维聚焦的原理，提供了一种方便实用的可控的表面材料微观几何结构 的获取手段。 发明内容本发明的目的是研发一种利用导光纤维聚焦的原理，在表面获得所需的微观几何结构的 技术。该技术的特点是不需要复杂昂贵的装备，可以利用目前普遍采用的工业激光器获得所 需的微米级微观几何结构。将可以导光的小直径的纤维作为聚焦元件，导光纤维可以是普通 的玻璃纤维，聚合物纤维，也可以是常用的光导纤维，其横截面是圆形，在径向有汇聚作用， 而在轴向没有汇聚作用，故用导光纤维对激光进行聚焦可以在待加工表面刻蚀出微槽。本发明提供的基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工装置，其特征在于，该装置包括激 光器、用于聚焦的导光纤维、焦距调节装置、工作台在内的加工装置，激光器发出的激光束 经导光纤维聚焦后作用在待加工表面上，在表面上获得图形；所述的导光纤维，是可以透过 激光的任何材料的纤维，包括普通的玻璃纤维、聚合物纤维、以及常用的光导纤维等。本发明提供的基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工方法，其特征在于，将光纤作为 聚焦元件，通过调整聚焦位置，利用导光纤维在径向的汇聚作用，从而加工出所需的表面图 形；所述调节导光纤维聚焦距离而采用的导光纤维的布置方式为(1) 导光纤维固定在不同厚度的带有透光空间的塞尺片上；(2) 在导光纤维和待加工表面之间加入可以调节厚度的导光材料用于固定导光纤维；(3) 导光纤维固定于透光镜片下方；(4) 利用其他可调节位置的固定装置固定导光纤维并将其暴露于激光光斑范围内。 本发明提供的基于光纤聚焦的材料表面激光微加工技术，借助于包括激光器、导光纤维、聚焦调节装置、运动控制装置等在内的表面加工装置实现表面图形化。将光纤作为聚焦元件， 通过调整聚焦位置，利用导光纤维在径向的汇聚作用，从而加工出所需的表面图形。 本发明主要用于改变材料的表面几何特性，可应用于润滑和摩擦等特性的控制。
附图1是利用不同厚度塞尺片固定导光纤维进行焦距调节的装置原理示意图； 附图2是利用可调节厚度的透光材料进行焦距调节的装置原理示意图； 附图3是利用外部夹持透光镜片固定导光纤维的装置原理示意图； 附图4是利用外部夹持导光纤维的装置原理示意图；附图5是利用本发明加工的网状沟槽的形貌照片及形貌测试结果，步距2(Vm X500。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。见附图l。 1—激光束，2—导光纤维，3—塞尺片，4一待加工试样，其中(a)主视图 (b)俯视图。见附图2。 1—激光束，2—导光纤维，3—塞尺片，4—待加工试样，其中(a)主视图 ⑨俯视图。见附图3。 l一激光束，2—透光镜片，3—导光纤维塞尺片，4一夹持装置，5—待加工试 样，其中(a)主视图，(b)俯视图。见附图4。 1—激光束，2—导光纤维，3—夹持装置，4—待加工试样，其中(a)主视图(b)俯视图。见附图5。 (a)二维形貌图，(b)三维形貌图，(c)横向沟槽深宽测量结果。介绍使用本发明的一个实施例将本发明用于硅表面微观织构的加工。 利用ND:YAG脉冲激光器，其主要技术参数为工作频率lHz，波长1.06pm，调Q后 激光脉宽10ns，激光束发散角为〈2mrad，输出光斑直径7-8mm，激光能量265mJ，采用光纤 作为聚焦元件，光纤直径为400nm，聚焦位置(光纤中心距待加工表面距离)为30(^m。利 用最小步距为2pm的二维工作台进行网格织构的制备，并用MicroXAM三维形貌仪对加工后 的表面进行观察。由于光纤直径比激光束直径小得多，故远轴光线的影响不可忽略，所以理论上聚焦的最 佳位置应该在近轴焦点之前。实验中采用导光纤维布置方案b，即用不同厚度(厚度30-200pm) 的塞尺片将光纤垫高不同的高度，来获得不同的加工效果。塞尺片中间加工有4^^x5"""的 矩形方孔用于透光。光纤具体布置如附图l所示。将塞尺片置于待加工表面上方，将光纤固定于塞尺片上，则塞尺片可将光纤垫高一定的 高度。实验中可变的参量有激光的能量，塞尺片的厚度以及光纤的直径。在单线刻蚀的基础上，利用二维工作台将试样移动，刻蚀完一组平行沟槽后，将基底旋 转90度，刻蚀另一组平行沟槽，可得网格织构。附图5为加工后表面的三维形貌，刻纹宽度为3.74pm，深度1.13pm，在其边缘处有明显 激光作用溅射出的物质，高度不超过30nm，网格织构刻线清晰，间距均匀。
权利要求
1、基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工装置，其特征在于，该装置包括激光器、用于聚焦的导光纤维、焦距调节装置、工作台在内的加工装置，激光器发出的激光束经导光纤维聚焦后作用在待加工表面上，在表面上获得图形；所述的导光纤维，是可以透过激光的任何材料的纤维，包括普通的玻璃纤维、聚合物纤维、以及常用的光导纤维等。
2、基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工方法，其特征在于，将光纤作为聚焦元件， 通过调整聚焦位置，利用导光纤维在径向的汇聚作用，从而加工出所需的表面图形；所述调 节导光纤维聚焦距离而采用的导光纤维的布置方式为(1) 导光纤维固定在不同厚度的带有透光空间的塞尺片上；(2) 在导光纤维和待加工表面之间加入可以调节厚度的导光材料用于固定导光纤维；(3) 导光纤维固定于透光镜片下方；(4) 利用其他可调节位置的固定装置固定导光纤维并将其暴露于激光光斑范围内。
全文摘要
本发明涉及一种基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工方法及装置，属于激光表面加工技术领域。其特征在于，该装置包括激光器、用于聚焦的导光纤维、焦距调节装置、工作台在内的加工装置，激光器发出的激光束经导光纤维聚焦后作用在待加工表面上，在表面上获得图形；所述的导光纤维，是可以透过激光的任何材料的纤维，包括普通的玻璃纤维、聚合物纤维、以及常用的光导纤维等。所述方法是将光纤作为聚焦元件，通过调整聚焦位置，利用导光纤维在径向的汇聚作用，从而加工出所需的表面图形。本加工方法主要用于改变材料的表面几何特性，可应用于润滑和摩擦等特性的控制。
文档编号B23K26/36GK101244487SQ20081000807
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月7日 优先权日2007年12月28日
发明者周一倩, 亮 尹, 邵天敏 申请人:清华大学