基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光控制鎳表面形貌的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光控制鎳表面形貌的方法，特別涉及一種利用調(diào)節(jié)飛秒激光偏振方向和脈沖延遲的對(duì)金屬鎳表面進(jìn)行可控改性的方法，屬于飛秒激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自Birnbaum 1965年首次報(bào)道了激光在材料表面可以誘導(dǎo)產(chǎn)生周期性微納結(jié)構(gòu)以來，這一加工技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。由于材料表面的周期性微納結(jié)構(gòu)改變了材料的光學(xué)、電子學(xué)等性質(zhì)，在很多方面都有著重要的應(yīng)用，如顏色標(biāo)記、減小摩擦、表面增強(qiáng)拉曼、太陽能電池等。
[0003]與傳統(tǒng)的長脈沖激光加工相比，飛秒激光加工具有如極高的峰值功率、較小的損傷閾值、加工熱影響區(qū)小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于飛秒激光脈沖寬度極短抑制了熱擴(kuò)散過程，所以飛秒激光可以在不對(duì)亞表面層產(chǎn)生顯著影響的情況下改變表面形貌和結(jié)構(gòu)，通過控制加工參數(shù)等就可以獲得獨(dú)特的材料表面結(jié)構(gòu)。因此通過調(diào)節(jié)不同激光參數(shù)對(duì)材料表面微納結(jié)構(gòu)的形貌進(jìn)行調(diào)控，對(duì)于飛秒激光誘導(dǎo)材料表面周期性波紋微納結(jié)構(gòu)的控制研宄具有重大意義。目前研宄人員主要采用改變脈沖能量的方法調(diào)節(jié)加工結(jié)構(gòu)的周期，從而進(jìn)行標(biāo)記顏色。這種方法雖然加工工藝較為簡單，但對(duì)結(jié)構(gòu)的周期改變范圍較小，不能在較大的色域范圍內(nèi)進(jìn)行顏色標(biāo)記。而激光的偏振方向和脈沖延遲時(shí)間作為激光的重要參數(shù)，對(duì)材料局部電子激發(fā)密度有重要的調(diào)控作用，從而影響材料的燒蝕特性。經(jīng)過調(diào)制后的表面形貌包括結(jié)構(gòu)的周期和方向都得到了較大變化，為顏色標(biāo)記提供更廣闊的的色域范圍提供了可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有顏色標(biāo)記技術(shù)色域范圍較小、可控性較差的問題，提出一種利用調(diào)節(jié)飛秒激光的偏振方向和脈沖序列延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳表面周期性波紋微納結(jié)構(gòu)的可控加工的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
[0006]基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光控制鎳表面形貌的方法，具體步驟如下:
[0007]步驟一、在延遲時(shí)間為Ofs的情況下，從0-45度調(diào)節(jié)偏振角度與掃線方向的夾角；分別對(duì)金屬鎳表面進(jìn)行加工；
[0008]步驟二、在0-2.5ps范圍內(nèi)，以10fs為間隔逐漸調(diào)節(jié)兩個(gè)子脈沖的延遲時(shí)間；同時(shí)，在延遲時(shí)間確定的情況下，從0-45度調(diào)節(jié)偏振角度與掃線方向的夾角；分別對(duì)金屬鎳表面進(jìn)行加工；
[0009]步驟三、將步驟一與步驟二所得的加工結(jié)果進(jìn)行顏色觀測(cè)，制備相對(duì)應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)表格，確定每種顏色光的波長對(duì)應(yīng)的金屬鎳表面形貌。
[0010]裝置包括:飛秒激光器；第一半波片；p偏振片；第二半波片；脈沖整形器；第一二向色鏡；第三半波片；機(jī)械開關(guān)；白光光源；分束鏡；第二二向色鏡；消色差雙膠合平凸透鏡；待加工樣品；六維移動(dòng)平臺(tái)；平凸透鏡；CCD成像系統(tǒng)。
[0011]連接關(guān)系:飛秒激光器產(chǎn)生飛秒激光脈沖經(jīng)過經(jīng)過第一半波片、P偏振片、第二半波片后調(diào)整到合適的能量通過脈沖整形器，被分為能量比為1:1的兩束子脈沖。整形的激光脈沖經(jīng)過第一二向色鏡、第三半波片后改變偏振方向，最后經(jīng)物鏡聚焦到待加工樣品上，待加工樣品固定在六維移動(dòng)平臺(tái)上。照明白光光源經(jīng)過分束鏡、第二二向色鏡、消色差雙膠合平凸透鏡后照射到代加工樣本上。后反射光經(jīng)消色差雙膠合平凸透鏡、第二二向色鏡，被分束鏡反射后經(jīng)平凸透鏡后入射到成像CCD中。
[0012]該裝置的工作過程如下:
[0013]步驟一:飛秒激光器產(chǎn)生飛秒激光脈沖；
[0014]步驟二:把步驟一產(chǎn)生的飛秒激光脈沖通過消色差雙膠合平凸透鏡，在待加工樣品表面進(jìn)行聚焦；
[0015]步驟三:利用脈沖整形器將傳統(tǒng)飛秒激光在時(shí)域上調(diào)制為飛秒激光雙脈沖，并通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定脈沖延遲時(shí)間；
[0016]步驟四:通過調(diào)節(jié)第三半波片改變激光偏振方向與掃線方向的夾角。利用計(jì)算機(jī)控制六維移動(dòng)平臺(tái)在材料表面進(jìn)行直寫加工。
[0017]有益效果:
[0018]1、本發(fā)明提出了一種基于局部瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)調(diào)控理論的飛秒激光加工金屬鎳表面的方法，通過對(duì)激光偏振方向和脈沖延遲這兩個(gè)重要激光參數(shù)的調(diào)控，可以精確地控制金屬鎳表面周期性波紋微納結(jié)構(gòu)的形貌。通過對(duì)高頻周期性結(jié)構(gòu)(300nm)與低頻周期性結(jié)構(gòu)(600nm)的比例調(diào)節(jié)以及偏振角度的改變，在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料加工結(jié)構(gòu)的周期和方向。這一技術(shù)可以極大地提高飛秒激光對(duì)金屬鎳表面處理的加工精度。對(duì)顏色標(biāo)記的色域范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，并提高了對(duì)不同波長標(biāo)記顏色的加工精度和加工效率，在信息存儲(chǔ)方面有著廣闊的應(yīng)用。
[0019]2、本方法通過改變飛秒激光的偏振方向和脈沖延遲時(shí)間，調(diào)控金屬鎳激發(fā)瞬時(shí)局部電子密度，進(jìn)而調(diào)控光子與電子之間的能量耦合，使加工結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在周期和方向上較大的改變，最終提高了對(duì)顏色標(biāo)記的色域范圍和加工效率。
【附圖說明】
[0020]圖1為飛秒激光加工光路圖。
[0021]其中，1-飛秒激光器；2_第一半波片；3_P偏振片；4_第二半波片；5_脈沖整形器；6-第一二向色鏡；7_第三半波片；8_機(jī)械開關(guān)；9-白光光源；10_分束鏡；11_第二二向色鏡；12-消色差雙膠合平凸透鏡；13-待加工樣品；14-六維移動(dòng)平臺(tái)；15-平凸透鏡；16-(XD成像系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。
[0023]實(shí)施例1
[0024]步驟一、在延遲時(shí)間為Ofs的情況下，從0-45度調(diào)節(jié)偏振角度與掃線方向的夾角；分別對(duì)金屬鎳表面進(jìn)行加工；
[0025]步驟二、在0-2.5ps范圍內(nèi)，以10fs為間隔逐漸調(diào)節(jié)兩個(gè)子脈沖的延遲時(shí)間；同時(shí)，在延遲時(shí)間確定的情況下，從0-45度調(diào)節(jié)偏振角度與掃線方向的夾角；分別對(duì)金屬鎳表面進(jìn)行加工；
[0026]步驟三、將步驟一與步驟二所得的加工結(jié)果進(jìn)行顏色觀測(cè)，制備相對(duì)應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)表格，確定每種顏色光的波長對(duì)應(yīng)的金屬鎳表面形貌。
[0027]激光加工系統(tǒng)如附圖1所示。飛秒激光器I產(chǎn)生飛秒激光脈沖經(jīng)過經(jīng)過第一半波片2、P偏振片3、第二半波片4后調(diào)整到合適的能量通過脈沖整形器5，被分為能量比為1:1的兩束子脈沖。整形的激光脈沖經(jīng)過第一二向色鏡6、第三半波片7改變偏振方向，最后經(jīng)物鏡12聚焦到待加工樣品13上，待加工樣品13固定在六維移動(dòng)平臺(tái)14上。照明白光光源9經(jīng)過分束鏡10、第二二向色鏡11、消色差雙膠合平凸透鏡12后照射到樣本13。后反射光經(jīng)消色差雙膠合平凸透鏡12、第二二向色鏡11，被分束鏡反射后經(jīng)聚焦透鏡15后入射到成像CCD中。其中飛秒激光器1、脈沖整形器5、機(jī)械開關(guān)8、移動(dòng)平臺(tái)14均由計(jì)算機(jī)控制。
[0028]實(shí)驗(yàn)過程中采用的飛秒激光器參數(shù)如下:飛秒激光系統(tǒng)采用美國光譜物理(SpectrumPhysic)公司生產(chǎn)的激光器，實(shí)驗(yàn)過程中采用的為線偏振光，中心波長為800nm，脈沖寬度為35fs，重復(fù)頻率為1kHz，線偏振；實(shí)驗(yàn)中待加工樣品選用多晶金屬鎳，尺寸為IcmX IcmX Imm0
[0029]步驟一、飛秒激光器I產(chǎn)生脈沖寬度為中心波長為800nm，脈沖寬度為35fs，重復(fù)頻率為IkHz的飛秒激光單脈沖。
[0030]步驟二、通過計(jì)算機(jī)軟件將脈沖整形器5輸出子脈數(shù)沖數(shù)設(shè)定為2，即將飛秒激光單脈沖調(diào)整為能量為1:1的雙脈沖脈沖序列。
[0031]步驟三、用雙面膠把待加工樣品13固定在載玻片上，再把載玻片放置在六維移動(dòng)平臺(tái)14上，并用水平測(cè)量儀測(cè)量確保平臺(tái)調(diào)至水平。
[0032]步驟四、打開機(jī)械開關(guān)8，調(diào)整光路，確保激光通過消色差雙膠合平凸透鏡1