专利名称：超快激光快速制备金属表面大面积纳米织构的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用超快激光在金属表面快速制备出大面积纳米织构的方法，利用本方法所产生的纳米织构具有规则性、周期性，且周期远小于激光波长。本方法所涉及的表面纳米结构制备技术属于激光微纳加工领域。
背景技术：
大自然生物表面上特殊的有规则的微纳米结构特有的介观效应使其具备超常的表面性能。如，荷花叶表面的微米级凸起和其上分布的纳米级腊丝使得荷叶具有超疏水性和出淤泥而不染的极佳自洁性能；壁虎的脚趾上附有数百万直立的微绒毛，每个微绒毛末梢都有纳米分支，当数百万这样的微绒毛与物体表面接触时，它们之间会产生强大的范德华力，使得壁虎能够轻松自如地倒悬挂于天花板或墙壁表面，还能随意离开物体表面；鲨鱼皮表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过进而实现快速游动。这些表面维纳结构蕴含着丰富的物理原理和应用价值，吸引着研究者对表面微纳米结构的制备技术的高度关注。传统纳米织构化的实现主要是通过光刻的方法实现，步骤复杂，且污染严重。近几年，随着激光技术的快速发展，尤其是超快激光技术的发展，为许多科研领域增加了新的技术手段。超短脉冲对材料表面的超快作用导致了许多新奇的极端非线性现象，呈现出许多超常的性能。研究者通过激光辐照的方法在金属[Opt. Express 17，20757 (2009)]、半导体[Appl. Phys. Lett. 89,033506 (2006)]聚合物[APL 100,041106(2012)]等不同材料上研制成各种纳米结构。然而在实际应用中，人们更注重的是所获得纳米结构的性能及用途，即通过获得大面积的表面纳米织构而真正实现其超常表面性能。金属材料与国防及国民生产息息相关，具有无可替代的作用，在金属材料表面实施大面积的表面纳米织构化制备，实现超常的表面性能，对科技发展及科技生产力的提高具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明旨在提供一种采用超快激光在金属表面直接制备出大面积周期性的纳米织构。该方法工艺简单、可操作性强、无污染，适用于任何金属材料，在军事国防及国民生产中具有广泛的应用潜力。本发明的内容包括以下具体步骤I)选用任意金属材料的金属靶材，经表面抛光处理后固定于样品台上，所述的样品台为计算机编程控制的二维运动台；2 )超快激光依次经过滤波片、半波片、偏振分光棱镜后引入光学导光台，并经光学导光台上的聚焦镜聚焦至金属靶材表面，所述的光学导光台为计算机编程控制的二维运动台；3)选择光学导光台固定、样品台运动，或者光学导光台运动、样品台固定的二选一工作方式，使得样品台与光学导光台之间产生相对运动，在超快激光与金属靶材表面之间通过搭接式来回扫描方式直接在金属靶材表面扫描形成规则的周期性纳米织构条纹；所述的搭接式来回扫描方式为光学导光台或者样品台首先水平方向移动，然后竖直方向移动，接下来继续水平方向移动，连续两次水平方向移动形成的纳米织构条纹在纵向进行部分交叠；如此周而复始，制备出大面积的纳米织构。所述的超快激光光源为飞秒激光或亚皮秒激光，且超快激光波长可调。通过调节样品台与光学导光台之间的相对运动速度控制大面积纳米织构形成的时间，且制备纳米织构的时间与相对运动速度成反比关系。本发明中所采用的超快激光光源为飞秒激光或亚皮秒激光，且采用不同波长的超快激光对制备的纳米织构的周期进行调控，获得纳米织构的周期为亚激光波长。本发明中的核心关键点为“大面积”、“快速”。其中“大面积”的实现关键在于所述的搭接式来回扫描，即采用计算机程序控制二维运动台在两个方向上的运动速度及运动台所走距离实现扫描纳米织构的搭接，从而形成大面积的织构化制备。“快速”意为摒弃了传统的纳米织构制造方法，比如，光刻、压印等工序多而复杂的制造方式，仅仅通过超快激光直接在金属靶材表面扫描的方式即可获得大面积的纳米织构，同时通过调节样品台与导光台之间的相对运动速度来控制形成大面积纳米织构的速度。本发明中所获得的纳米织构的重要性能指标“深宽比”是通过对激光脉冲通量、扫描速度及扫描次数进行控制而形成。有益效果I)实现了在金属表面制备大面积纳米织构的技术，加工工艺简单、可操作性强、无污染、成本低，在军事国防及国民生产中具有重要的应用潜力。2)本发明方法直接在金属表面扫描获得纳米织构，其周期小于激光波长；纳米织构的深宽比通过激光参数及扫描参数的优化即可实现。
图I :超快激光快速制备金属表面大面积纳米织构的技术路线图，图2 :利用400nm的飞秒激光在金属钨表面获得的大面积纳米织构扫描电镜图，图3:本发明方法流程图。(I)超快激光、(2 )滤波片、(3 )半波片、(4 )偏振分光棱镜、(5 )聚焦镜、(6 )样品台、(7)光学导光台
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步详细说明。本发明在实施过程中采用的超快激光光源为飞秒激光或者是亚皮秒激光。如附图I所示，激光光束首先经过滤波片滤掉杂散光；然后经过半波片及偏振分光棱镜，半波片与偏振分光棱镜的作用为根据激光的偏振态调整激光的脉冲通量；激光光束最后经过聚集镜后聚焦到金属靶材表面。最终通过计算机编程控制二维运动台在金属靶材表面扫描出纳米织构。以附图2中所提的400nm飞秒激光在钨金属表面所形成的大面积织构为例说明本发明的具体实施方案，但不应以此限制本发明的保护范围。
波长800nm、重复频率IKHz、脉宽35fs的水平线偏振飞秒激光经倍频后变为400nm的飞秒激光。400nm的飞秒激光依次经过滤波片、半波片、偏振分光棱镜后，经焦距为300mm的聚焦镜聚焦到钨金属靶材表面，聚焦后的激光光斑直径为80 μ m,单脉冲能量密度为O. 19mJ/cm2。 尺寸为50mm*20mm*5mm的钨金属，放置于二维样品台上并经过表面处理。二维样品台在计算机控制下走S型搭接路线，光学导光台固定，实现对样品的扫描。样品台的控制程序设定为首先横向位移台以O. 94mm/S的速度运行,运行路程为IOmm,单方向扫描出的纳米织构宽度为80 μ m ;然后竖直位移台以7. lmm/s下行60 μ m,横向位移台再以O. 94mm/s的速度继续扫描，两次扫描获得的纳米织构有20 μ m的边缘实现搭接。如此循环下去，在整个样品靶材表面形成宽的大面积纳米织构所需的时间仅仅为266s，所获得的纳米周期为210nm，尺寸小且大大节约了时间及成本。
权利要求
1.超快激光快速制备金属表面大面积纳米织构的方法，其特征在于该方法采用超快激光直接扫描的方式在金属材料表面快速加工大面积的纳米织构条纹，具体步骤为 1)选用任意金属材料的金属靶材，经表面抛光处理后固定于样品台上，所述的样品台为计算机编程控制的二维运动台； 2)超快激光依次经过滤波片、半波片、偏振分光棱镜后引入光学导光台，并经光学导光台上的聚焦镜聚焦至金属靶材表面，所述的光学导光台为计算机编程控制的二维运动台； 3)选择光学导光台固定、样品台运动，或者光学导光台运动、样品台固定的二选一工作方式，使得样品台与光学导光台之间产生相对运动，在超快激光与金属靶材表面之间通过搭接式来回扫描方式直接在金属靶材表面扫描形成规则的周期性纳米织构条纹；所述的搭接式来回扫描方式为光学导光台或者样品台首先水平方向移动，然后竖直方向移动，接下来继续水平方向移动，连续两次水平方向移动形成的纳米织构条纹在纵向进行部分交叠；如此周而复始，制备出大面积的纳米织构。
2.根据权利要求I所述的超快激光快速制备金属表面大面积纳米织构的方法，其特征在于所述的超快激光光源为飞秒激光或亚皮秒激光，且超快激光波长可调。
3.根据权利要求I所述的超快激光快速制备金属表面大面积纳米织构的方法，其特征在于通过调节样品台与光学导光台之间的相对运动速度控制大面积纳米织构形成的时间，且制备纳米织构的时间与相对运动速度成反比关系。
全文摘要
本发明涉及一种采用超快激光在金属表面快速制备出大面积纳米织构的方法，具体包括选用任意金属材料的金属靶材，经表面抛光处理后固定于样品台上，然后超快激光依次经过滤波片、半波片、偏振分光棱镜后引入光学导光台，并经光学导光台上的聚焦镜聚焦至金属靶材表面，接下来使样品台与光学导光台之间产生相对运动，在超快激光与金属靶材表面之间通过搭接式来回扫描方式直接在金属靶材表面扫描形成规则的周期性纳米织构条纹，其特点为利用超快激光与金属材料的相互作用，通过计算机控制超快激光与金属靶材的相对运动，在金属靶材表面形成光学扫描，快速制备出大面积的纳米织构。
文档编号B23K26/06GK102896425SQ20121036532
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者宋海英, 刘世炳, 刘嵩, 董祥明 申请人:北京工业大学