本发明专利技术公开了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向的移动三维定位机构。本发明专利技术具有非接触、高精度、均匀性好和热影响区小等优点，在制备微米级光响应液晶弹性体梳齿方面具有广阔应用前景。景。景。
【技术实现步骤摘要】
一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法
[0001]本专利技术涉及飞秒激光应用
，尤其涉及一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法。
技术介绍
[0002]大自然为仿生研究者提供了许多模仿的例子。通过模仿生物的刺激响应行为，科学家们开发出了各种智能刺激响应材料(如水凝胶、形状记忆聚合物、液晶聚合物等)。智能刺激响应材料可在外界刺激下产生机械形变，在致动器、仿生器件、人工肌肉及微马达等领域具有广阔应用前景。
[0003]作为一种刺激响应材料，液晶聚合物具有分子质量轻、比强度高、耐疲劳等优点，其有序的液晶结构还赋予了材料各向异性及分子间协同作用，极大提高了材料的响应速度和弯曲应变。液晶弹性体是液晶聚合物经过适当交联后获得的材料，兼具液晶和弹性体的双重特性，通过改变液晶基元的排列即可产生形变。常见用于诱导液晶弹性体产生形变的刺激方式主要包括：光、热、电场、磁场及湿度等。相比之下，光刺激具有非接触、远程精确操控、无污染、性能易于调控等优势，已从众多刺激方式中脱颖而出，成为智能液晶聚合物研究的前沿方向。
[0004]目前基于光驱动的液晶弹性体一般通过在液晶聚合物中加入光敏基团，如偶氮苯实现。偶氮苯在紫外光或蓝光照射下产生顺反异构化可引起液晶基元排列的变化，从而使液晶弹性体产生可逆变形。利用液晶弹性体在光照下产生的形变特性，人们已经将其应用在人工肌肉、微纳机器人、光致执行器及微流体驱动等领域。
[0005]现有的液晶弹性体制造方法一般需要在液晶盒内对液晶进行取向，加工出的液晶弹性体尺寸通常较大(长/宽在毫米级以上)。对于一些特定应用场合，如基于光驱动的微型执行器/机器人等，常需要微小尺寸的液晶弹性体作为构件。传统的机械加工技术难以满足此要求，而FIB切割、电子束掩膜加工等效率低、成本高、周期长。飞秒加工作为一种新兴的加工技术，具有超短激光脉冲、超高峰值功率及热影响区小等优点，是微米级光响应液晶弹性体梳齿加工的一种经济且有效的手段。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法，旨在解决现有技术在加工光响应液晶弹性体梳齿方面效率低、耗时长、成本高、热影响区大等问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向移动的三维定位机构。
[0008]本专利技术中，所述飞秒激光器的出射激光能量通过调节激光脉冲重复频率实现，通
过调节激光脉冲重复频率，可以对输出的激光功率(能量)进行初次的调整，使得其接近工作功率。本专利技术液晶弹性体薄膜通过夹持装置固定于移动三维定位机构上，计算机控制平移台上液晶弹性体薄膜移动，使飞秒激光对其进行烧蚀切割，进而实现微米级光响应液晶弹性体梳齿的制备。
[0009]作为优选，所述功率调节元件选自中性密度衰减片或者光学半波片和光学检偏器的组合。作为进一步优选，利用功率调节元件(比如中性密度衰减片)连续调节飞秒激光的能量，使其高于待加工液晶弹性体薄膜烧蚀阈值，达到最佳工作功率。
[0010]作为优选，所述光束调节元件为光阑，调节后激光的束腰直径为2～5mm。作为进一步优选，所述光阑用于调节飞秒激光的束腰直径为3mm。
[0011]作为优选，所述扩束元件由两个共焦放置的凸透镜组成；两个共焦的凸透镜的焦距分别为20～40mm和80～120mm；所述聚焦元件为聚焦透镜，聚焦透镜的焦距为20～40mm。作为进一步优选，所述两个凸透镜的焦距分别为30mm和100mm。作为进一步优选，所述聚焦透镜的焦距为30mm。
[0012]作为可以选择的方案，还包括如下元件中的一种或者多种的组合：
[0013]一个或多个光路导向元件；
[0014]挡光板；通过挡光板可以实现对激光的阻挡，避免在调整样品高度时，激光对样品产生不利影响；当然，这里的挡光板也可以采用快门结构；
[0015]用于辅助调整样品位置或者对样品表面进行实时监测的相机；
[0016]与所述飞秒激光器相连用于控制飞秒激光参数的计算机，可选择的所述三维定位机构同时受控于所述计算机。
[0017]作为具体的选择，所述导向元件可选择一个或多个全反射镜的组合。比如可以采用两个平行全反射镜用于调节光路的高度和左右使其垂直入射到聚焦透镜的中心位置。
[0018]作为优选，所述三维定位机构包括用于调整高度和相对聚焦元件距离的二维手动平移台以及用于沿齿缝方向移动所述样品的一维电动平移台，两者相结合以实现对待加工液晶弹性体薄膜在xyz三维方向的调整。
[0019]作为优选，所述二维手动平移台上设有夹持装置，所述夹持装置包括定位夹持块、活动夹持块和用于将活动夹持块固定在设定位置的调节螺栓，旋转调节螺栓可使样品夹持于定位夹持块和活动夹持块之间。所述夹持装置固定于二维手动平移台上，二维手动平移台安装于一维电动平移台上，构成三坐标加工系统。调节二维平移台左右进给可使聚焦透镜的出射激光聚焦于液晶弹性体薄膜表面；调节二维平移台上下进给可控制两次切割条纹间距，进而控制液晶弹性体梳齿的宽度；计算机控制一维电动平移台前后进给可调节液晶弹性体梳齿的加工长度和切割速度。
[0020]作为替换，也可以采用现有的三维运动机构。比如常见的通过丝杠电机驱动的xyz导轨、滑块和电机组成的三维运动机构。
[0021]作为优选，还包括对所述相机提供光源的光源组件。作为进一步优选，所述光源组件为鹅颈灯，用于对液晶弹性体薄膜打光，使CCD相机清晰的监测液晶弹性体梳齿的加工过程。
[0022]作为一种优选的方案，本专利技术包括：一台飞秒激光器，沿所述飞秒激光器输出光路依次设有全反射镜、中性密度衰减片、光阑、扩束透镜系统、两个平行全反射镜、聚焦透镜和
加工对象。所述加工对象，即液晶弹性体薄膜通过夹持装置固定于三维平移台上，控制平移台上液晶弹性体薄膜与飞秒激光焦点做相对运动进行烧蚀切割，激光在待加工薄膜表面上的聚焦及加工过程由CCD相机实时监测。飞秒激光器、CCD相机、电动平移台通过数据线与计算机连接，由计算机控制。
[0023]一种进行飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的方法，包括：飞秒激光经过功率调节，光束大小调节，扩束和聚焦，形成的光斑照射到待加工光响应液晶弹性体薄膜样品上，样品相对激光沿设定方向移动，对应区域在激光照射下被切割形成齿缝，依次加工多个齿缝，得到梳齿结构。
[0024]作为优选，所述液晶弹性体以偶氮苯作为光敏基团，薄膜厚度为10
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50μm，可在紫外光或蓝光刺激下产生弯曲或舒展行为；液晶弹性体薄膜通过夹持装置夹持于两块矩形玻璃片之间，待加工薄膜部分暴露于玻璃片之外。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，其特征在于，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向的移动三维定位机构。2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，其特征在于，包括：所述功率调节元件选自中性密度衰减片或者光学半波片和光学检偏器的组合，利用功率调节元件将飞秒激光功率调节到样品烧蚀阈值以上。3.根据权利要求1所述的飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，其特征在于，所述光束调节元件为光阑，调节后激光的束腰直径为2～5mm。4.根据权利要求1所述的飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，其特征在于，所述扩束元件由两个共焦的凸透镜组成；两个共焦的凸透镜的焦距分别为20～40mm和80～120mm；所述聚焦元件为聚焦透镜，聚焦透镜的焦距为20～40mm。5.根据权利要求1所述的飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，其特征在于，还包括如下元件中的一种或者多种的组合：一个或多个光路导向元件；挡光板；用于辅助调整样品位置或者对样品表面进行实时监测的相机；与所述飞秒激光器相连用于控制飞秒激光参数的计...
【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，耿娇，李云龙，刘峰江，石理平，吕久安，仇旻，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：
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