受激光波前调控的聚合物薄膜表面周期性结构的制备方法

1.本发明属于纳秒激光诱导聚合物材料表面周期性结构制备技术，具体为一种受激光波前调控的聚合物薄膜表面周期性结构的制备方法。


背景技术：

2.激光诱导材料表面周期性结构是实现材料表面微纳加工的一种手段，通过激光与材料的相互作用，实现微纳尺度的形貌控制，改变材料的物态与性质。与其他微纳制造的方式相比，激光微纳制造既可以满足高精度、高表面质量等具有特殊要求的零部件制造需求，还可以处理难加工材料、复杂面型材料、微小零件以及刚度极低的构件等特殊材料，具有非接触、精确可控、高效节能等优点。此外，这种加工方式的使用材料范围很广，例如在文献“martin e,bing h,frankf,et al.generation of laser-induced periodic surface structures(lipss)in fused silica by single nir nanosecond laser pulse irradiation in confinement.applied surface science,2019,470:56-62”、“yufan g,caiyu y,bing h,et al.picosecond laser-induced periodic surface structures(lipss)on crystalline silicon.surfaces and interfaces,2020,100538”、专利us2014/0083984a1、wo2006/065356a1中提及的金属、半导体、电介质。通常，激光诱导表面周期性结构(lipss)得在一定的能量密度范围和脉冲个数的激光辐照下产生，常见的周期性结构产生的激光能量密度阈值接近或略小于材料的烧蚀阈值，周期一般是接近于入射激光的波长或是波长的一半，受到激光能量密度、脉冲个数、激光入射角度的调控，而lipss的取向是由激光偏振方向决定的。根据不同的材料，不同的加工条件，研究人员提出了许多关于lipss的产生原理，广泛流传的包括广义散射和干涉(sipe)模型，表面等离子激元(spp)辅助形成模型、二次谐波模型以及毛细波模型。但尚未有一种理论适用于lipss形成的所以特征，lipss的形成机制仍值得讨论，如何有效地对lipss进行周期性调控仍是人们关心的重点。
3.使用激光在聚合物材料表面制备这种周期性结构，能够改变材料的力学特性、光学特性、润湿特性等，在光学、生物医学、微电子、航天航空等领域有着广泛的应用前景。而目前针对聚合物材料的激光诱导表面周期性结构的研究较少，产生的结构周期大多也是接近入射激光波长的二分之一、一倍或两倍，周期性结构的方向也只是与激光的偏振方向有关。随着超短脉冲激光的出现，使用纳秒激光系统制备周期性结构的研究较少。但超短脉冲激光的设备成本高昂，辐照材料后的“冷加工”效果与纳秒激光与物质相互作用时热效应占主导地位的机理也不同。因此，针对纳秒激光辐照诱导聚合物表面周期性结构产生的研究仍具有一定的科学意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种受激光波前调控的聚合物薄膜表面周期性结构的制备方法，解决现有技术难以在聚合物表面制备微米量级周期性结构的问题。
5.实现本发明的技术解决方案为：一种受激光波前调控的聚合物薄膜表面周期性结构的制备方法，包括：
6.紫外纳秒激光经过半波片与偏振分光棱镜后，通过由凹凸透镜组合的缩束系统聚焦在聚合物薄膜表面形成周期性结构，其中，激光能量密度高于聚合物薄膜的烧蚀阈值脉冲个数为1
–
50个。
7.优选地，所述激光能量密度为烧蚀阈值的1.5-20倍。
8.优选地，紫外纳秒激光单脉冲能量密度以及脉冲个数的确定方法为：
9.旋转半波片，改变出射激光偏振方向与半波片快轴或者慢轴的夹角，利用偏振分光棱镜组合调节到靶能量，采用能量计对到靶能量进行测量，确定半波片不同刻度对应的能量大小以及当到靶能量最大或最小时对应的刻度值；
10.将样品置于三维平移台上，旋转半波片到最大能量一半的位置后，沿着平行于光轴的方向移动样品，通过控制靶材与焦点的距离位置来改变到靶的激光能量密度；
11.在到靶激光能量密度不变的情况下，改变到靶激光脉冲个数，确定在聚合物薄膜表面制备出微米量级周期性结构的能量密度阈值与脉冲个数阈值。
12.优选地，所述聚合物为聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯中的任意一种。
13.优选地，在聚合物与缩束系统之间设置狭缝，通过狭缝控制激光波前形貌，在聚合物表面制备出不同方向的周期性结构，周期性结构方向与狭缝垂直。
14.优选地，所述激光波长在紫外光波段。
15.优选地，所述激光波长为355nm。
16.优选地，所述激光为线偏振光，脉宽为7ns，且聚合物表面的激光焦斑直径在90μm到130μm之间。
17.优选地，引入的狭缝缝宽小于激光光束的直径。
18.优选地，狭缝中心到靶材的距离大于0mm，小于35mm。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过一种非接触式的加工手段，能够在具有复杂面型、难加工，具有特殊要求的零部件上制备微米量级的周期性条纹结构；2)本发明可以通过简单的装置控制条纹方向；3)本发明可以改变材料表面的光学特性、利用材料表面实现信息传输、在生物相容性较好的材料表面改善细胞生长特性；4)本发明适用于各种面型材料的微纳加工；5)本发明适用于在微型光学器件、光存储器件上制备光栅结构；6)本发明无需真空实验环境。
20.下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
21.图1为方向受波前调控的聚合物薄膜材料表面激光诱导周期性结构产生实验示意图。
22.图2为实施例1聚酰亚胺(pi)薄膜表面产生lipss的光学显微镜结果示意图。
23.图3为实施例1不同激光能量密度、不同脉冲个数下聚酰亚胺(pi)薄膜表面周期性结构的周期分布图。
24.图4为实施例1紫外纳秒激光在pi薄膜表面诱导产生周期性条纹结构周期随激光
能量密度变化而改变的实验结果示意图。
25.图5为实施例1紫外纳秒激光在pi薄膜表面诱导产生周期性条纹结构周期随激光脉冲个数变化而改变的实验结果示意图。
26.图6为通过改变狭缝方向形成不同波前形貌的激光辐照在材料表面后实验结果图。
具体实施方式
27.如图1所示，一种受激光波前调控的聚合物薄膜表面周期性结构制备的方法，在设定的激光参数区间内，在聚合物材料薄膜表面产生周期可控，方向随波前变化的周期性条纹结构。具体为：
28.紫外纳秒激光经过半波片与偏振分光棱镜后，通过由凹凸透镜组合的缩束系统聚焦在聚合物薄膜表面，所有光学元器件的中心共轴。其中，凹透镜与凸透镜的组合起到了缩束的作用，减小光斑面积，增大到靶的能量密度，该组合系统焦距越长，能量密度变化缓慢，能够更精确地确定lipss出现的阈值，且凹凸透镜的组合也能起到校正像差的作用，使得到靶的波前较好。半波片和偏振分光棱镜的组合则实现了能量的调节。
29.所述紫外纳秒激光单脉冲能量密度高于聚合物材料烧蚀阈值，脉冲个数为1到50个。
30.具体地，所述激光能量密度为烧蚀阈值的1.5-20倍。
31.在某些实施例中，紫外纳秒激光单脉冲能量密度以及脉冲个数的确定方法为：
32.旋转半波片(精度为2
°
)，改变出射激光偏振方向与半波片快(慢)轴的夹角，再利用偏振分光棱镜组合调节到靶能量，采用能量计对到靶能量进行测量，确定半波片不同刻度对应的能量大小以及当到靶能量最大或最小时对应的刻度值。
33.将样品置于精度为1μm的三维平移台上，旋转半波片到最大能量一半的位置后，沿着平行于光轴的方向移动样品，通过控制靶材与焦点的距离位置来改变到靶的激光能量密度，但保持靶材始终位于焦前。
34.在到靶激光能量密度不变的情况下，改变到靶激光脉冲个数，确定在聚合物薄膜表面制备出微米量级周期性结构的能量密度阈值与脉冲个数阈值。
35.在某些实施例中，作用对象可选用对紫外波段的激光具有较高吸收率的聚合物，例如聚酰亚胺(pi)、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(ptt)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)等。其中，激光能量密度范围高于材料的烧蚀阈值，使得材料表面温升将高于材料的粘流温度，材料从玻璃态转变为高弹态再至粘流态，聚合物分子链运动，进入不稳定状态，材料发生不可逆形变，随后冷却，表面形成周期性结构。如图2所示，受激光作用的聚合物表面形成周期性结构，其结构周期在微米量级，其栅状结构(条纹)的取向一致，且有较好的规整度。如图3所示，周期性结构受包括激光能量密度和脉冲个数在内的参数调控，通过各种实例发现周期性条纹结构的周期随着入射激光能量密度增大而增大，其周期随能量密度变化的关系图如图4所示；随着入射脉冲个数的增多而增大，周期随激光脉冲变化的关系图如图5所示，但周期性结构始终位于烧蚀坑的底部，直至薄膜破裂。
36.进一步的实施例中，在确定周期性结构产生阈值后，在靠近实验样品的前方位置引入狭缝，转动狭缝控制激光波前形貌，可以在聚合物表面制备出不同方向的周期性结构，
其结构方向始终与狭缝垂直，如图6所示。如果该周期性结构由激光经过狭缝衍射造成，则条纹方向应与狭缝平行，故排除衍射效应的影响。
37.进一步的实施例中，步骤1中的激光波长在紫外光波段。
38.进一步的实施例中，激光波长为355nm。
39.进一步的实施例中，步骤1中的激光为线偏振光，脉宽为7ns，且聚合物表面的激光焦斑直径在90μm到130μm之间。
40.进一步的实施例中，激光入射到聚合物材料表面的焦斑直径为94μm。
41.进一步的实施例中，所用聚酰亚胺薄膜的厚度在0μm到30μm之间。
42.进一步的实施例中，引入的狭缝缝宽小于激光光束的直径，为80μm。
43.进一步的实施例中，狭缝中心距离靶材的位置大于0mm，小于35mm，即狭缝靠近靶材但仍有一定的间距。
44.进一步的实施例中，所述聚合物材料薄膜厚度30μm。
45.实施例1
46.以聚酰亚胺(pi)薄膜材料表面制备受激光波前调控的周期性结构过程为例详细描述本发明的技术方案。
47.(1)采用厚度30μm的聚酰亚胺薄膜材料。
48.(2)选用波长355nm、脉宽7ns、线偏振的激光作为光源，通过缩束系统聚焦在材料表面。
49.(3)缩束系统由焦距f＝50mm的凸透镜和f＝-25mm的凹透镜构成，间隔d＝33mm。
50.(4)激光能量密度范围为54j/cm
2-586j/cm2，脉冲个数1
–
50。材料表面光斑直径为94μm。
51.(5)狭缝与材料的中心距离为28mm，狭缝宽度为80μm，将狭缝垂直或水平安置。
52.本实施例适用于在聚酰亚胺薄膜表面产生周期在4μm到7μm之间的周期性条纹结构，并分别通过改变激光能量密度与脉冲个数对条纹结构的周期进行调控，并引入狭缝控制条纹的方向，条纹方向将始终与狭缝垂直。