基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，包括：紫外纳秒激光垂直入射到单面抛光的置于介质中的304不锈钢材料表面，在表面形成百纳米条纹结构，改变激光的偏振方向后继续辐照材料表面可以实现对条纹方向的精确控制。通过本发明专利技术在304不锈钢表面制得的纳米结构满足工业大规模表面加工所需的低成本的要求，并且可以改变材料的光学特性、摩擦特性和润湿特性等，而控制周期性结构的方向则更加有利于得到符合要求的材料。材料。材料。

【技术实现步骤摘要】
基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法


[0001]本专利技术涉及金属材料表面周期性结构制备及调控技术，具体为一种基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法。

技术介绍

[0002]随着现代技术的快速发展，在材料表面制备微纳结构成为了一个研究的热点问题。通过在材料表面制备微纳结构可以有效的改变他们的润湿特性、光学特性以及摩擦特性等，具有广泛的研究价值。目前比较常用的控制材料表面结构的方式主要有机械加工以及激光直写等，但是这些加工方式存在一定的弊端，那就是只能通过逐点刻写的方式，因此效率不高。
[0003]目前研究使用的辐照到材料表面的激光一般为线偏振光，而在材料表面所产生的条纹结构的方向垂直于激光偏振方向，无法对条纹结构的方向进行有效的选择和控制。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，与已有高精度机械加工和激光直写技术通过逐点刻写方式控制条纹结构方向的方法相比具有更高的加工效率。
[0005]实现本专利技术目的技术方案为：一种基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，具体步骤为：
[0006]对金属表面进行预处理，具体为：利用丙酮溶液去除单面抛光的金属表面的油脂，并利用超声波清洗机对金属进行深层清洁；
[0007]将介质和金属通过透镜安装座整合到一起，且金属抛光面与介质接触，由纳秒激光器发出的紫外脉冲激光依次经过光阑、半波片1、偏振分光棱镜、半波片2、凸透镜、凹透镜、介质，垂直入射到金属表面；
[0008]纳秒激光器发出一定脉冲个数的紫外脉冲激光，在金属抛光面形成百纳米量级的条纹结构；
[0009]调节半波片2改变入射到金属表面的激光偏振方向，使得偏振方向交原始偏振方向旋转90
°
，作用相应个数脉冲实现条纹结构的方向改变。
[0010]优选地，入射激光为线偏振光，脉宽为7ns。
[0011]优选地，入射激光为紫外波，波长为355nm。
[0012]优选地，所述介质为不与金属材料发生化学反应的液体。
[0013]优选地，所述介质为无水乙醇。
[0014]优选地，所述凸透镜的焦距为f1＝50mm，凹透镜的焦距为f2＝
‑
25mm。
[0015]优选地，初始时使用150个脉冲得到与偏振方向垂直的条纹结构。
[0016]优选地，周期性条纹结构的偏转存在饱和，最大偏转角为30
°
。
[0017]优选地，所述金属的规格为10mm
×
10mm
×
0.5mm。
[0018]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术对激光加工的环境要求宽容，无需保护气体；2)本专利技术适用于在微流体、微液压装置表面形成周期性条纹结构；3)本专利技术所用的纳秒激光器成本较低、操作简单；4)本专利技术可以通过调整不同偏振方向的激光脉冲数量实现对周期性结构方向的精准控制，精确度高且操作简单；5)通过本专利技术方法在金属表面产生的周期性条纹结构能改变材料的的相关特性。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。
附图说明
[0019]图1为基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制的实验装置示意图。
[0020]图2为金属表面产生周期性条纹结构的原子力显微镜结果示意图，(a)实施例1的原子力显微镜结果示意图；(b)实施例2的原子力显微镜结果示意图；(c)实施例3的原子力显微镜结果示意图；(d)实施例4的原子力显微镜结果示意图；(e)实施例5的原子力显微镜结果示意图；(f)实施例6的原子力显微镜结果示意图；(g)实施例7的原子力显微镜结果示意图；(h)实施例8的原子力显微镜结果示意图；
[0021]图3为在金属表面诱导产生的条纹结构所产生的偏转角度与改变偏振方向之后的所作用的脉冲数量之间的关系。
具体实施方式
[0022]如图1所示，一种基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，本专利技术首先通过多脉冲激光辐照金属表面产生条纹结构，然后在已有结构基础上通过简单地改变激光偏振方向和脉冲个数便可在金属表面实现对于百纳米量级条纹结构的方向控制，以实现对周期性条纹结构的精确操控。通过本专利技术所形成的条纹结构角度与改变偏振方向之后激光辐照数量密切相关，通过改变偏振方向与已有条纹结构平行的脉冲个数可以对这个条纹结构的方向进行精准操控，因此不会造成裂纹、表面粗糙度较高的烧蚀坑或者环状烧蚀形貌。具体步骤为：
[0023]对金属进行预处理，具体为：单面抛光的金属先通过丙酮溶液去除表面油脂，再经过超声波清洗机进行深层清洁。
[0024]将介质和金属通过一个透镜安装座整合到一起，且金属抛光面与介质接触。透镜安装座固定在一个三维平移台上，该三维平移台各个方向上的精度均为10μm。由纳秒激光器发出的紫外脉冲激光依次经过光阑、半波片1、偏振分光棱镜、半波片2、凸透镜、凹透镜、介质，最后垂直入射到金属表面，所有光学元器件同心共轴。金属表面吸收激光能量后，在抛光的一面形成百纳米条纹结构。
[0025]通过转动半波片2使得激光偏振方向旋转90
°
，使得激光偏振方向与已有条纹结构平行，随后激光继续辐照材料表面，随着脉冲个数的增加，可以发现条纹结构的方向逐渐偏转，从而实现方向的可控。
[0026]进一步的实施例中，入射激光为线偏振光，脉宽为7ns。
[0027]进一步的实施例中，入射激光为紫外波，波长为355nm。
[0028]进一步的实施例中，介质为不与金属发生化学反应的无水乙醇。
[0029]进一步的实施例中，所述金属规格为10mm
×
10mm
×
0.5mm。
[0030]进一步的实施例中，所述金属材料一般选择304不锈钢。
[0031]进一步的实施例中，半波片的刻度精度均为2
°
，凸透镜的焦距为f1＝50mm，凹透镜的焦距为f2＝
‑
25mm。
[0032]本专利技术通过以面阵直写的方式制备微纳结构，能够大幅度的提高效率。
[0033]本专利技术的核心内容是通过激光辐照到材料的表面，当激光能量处于材料损伤阈值附近时就可以在材料表面制备出百纳米级的条纹结构。这种条纹结构的形貌特征与材料本身以及激光的参数有着密切的关系。
[0034]实施例1
[0035]以在304不锈钢表面得到周期性条纹结构的过程为例详细描述本专利技术的技术方案，得到图2(a)的结果。
[0036](1)选用波长为355nm、脉宽为7ns的线偏振激光作为光源，激光从304不锈钢片抛光的一侧正入射。
[0037](2)采用尺寸为10mm
×
10mm
×
0.5mm的单面抛光304不锈钢片。
[0038](3)选用的介质为无水乙醇。
[0039](4)选用的半波片刻度精度为2
°...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，其特征在于，具体步骤为：对金属表面进行预处理，具体为：利用丙酮溶液去除单面抛光的金属表面的油脂，并利用超声波清洗机对金属进行深层清洁；将介质和金属通过透镜安装座整合到一起，且金属抛光面与介质接触，由纳秒激光器发出的紫外脉冲激光依次经过光阑、半波片1、偏振分光棱镜、半波片2、凸透镜、凹透镜、介质，垂直入射到金属表面；纳秒激光器发出一定脉冲个数的紫外脉冲激光，在金属抛光面形成百纳米量级的条纹结构；调节半波片2改变入射到金属表面的激光偏振方向，使得偏振方向交原始偏振方向旋转90
°
，作用相应个数脉冲实现条纹结构的方向改变。2.根据权利要求1所述的基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，其特征在于，入射激光为线偏振光，脉宽为7ns。3.根据权利要求1所述的基于纳秒激光的金属表面百纳米条纹结构方向控制方法，其特征在于，入射激光为紫外波，波长为355nm。4.根据权利要求1所述的基于纳秒激光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢奕扬，韩冰，刘燕峰，曹思琪，刘延硕，王仁杰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：