功能性微結(jié)構(gòu)表面的超短脈沖激光加工技術研究.pdf

1、元件或器件的小型化制造,尤其是具有特定功能性的微結(jié)構(gòu)元件的高效化、低成本、綠色化加工已經(jīng)成為現(xiàn)代制造及應用領域的重要發(fā)展趨勢及研究方向。超短脈沖激光微加工技術,具有加工閾值確定、對材料的熱和機械損傷極小、能夠避免等離子體效應、可以突破衍射極限、可實現(xiàn)對幾乎所有材料的準三維高精度加工等其它方法所無法比擬的優(yōu)勢,已迅速成為一種全新的材料處理方法,并已成功應用到微細結(jié)構(gòu)的高精度加工中。然而,由于超短脈沖激光微加工技術受到設備昂貴、加工效率不高

2、及相應的工藝路線尚不成熟等諸多技術瓶頸的限制,目前該技術在加工功能性微結(jié)構(gòu)表面時難以滿足高效、低成本的加工需求。因此,本課題以超短脈沖激光加工微結(jié)構(gòu)及超疏水功能性表面作為基礎,同時將軟光刻微復制技術引入到該工藝鏈,從而實現(xiàn)功能性微結(jié)構(gòu)表面的高效、低成本、綠色化的加工目標。本文主要做了以下研究工作:
　　為了研究超短脈沖激光微加工系統(tǒng)的特性,并降低加工成本、提高加工效率,對超短皮秒脈沖激光微加工系統(tǒng)的性能進行了改進。結(jié)果表明,衰減器

3、可加快光束偏振響應時間至1.6ms,外接放大器的應用可以使系統(tǒng)的最大輸出能量達到14.7W(640kHz),用普克爾盒替代機械開關可將對光束的開、閉時間從毫秒提高到納秒量級,基頻光向倍頻光的轉(zhuǎn)化效率可高達72％。此外還搭建了一套超短飛秒脈沖激光微加工系統(tǒng),實現(xiàn)了閉環(huán)控制,系統(tǒng)輸出的最大單脈沖能量為2.5mJ,定位精度可達0.1μm。
　　利用加工直徑與脈沖強度的函數(shù)關系,計算出模具鋼、Ti、SiC等材料的破壞閾值。在此基礎上,通過

4、改變工藝及策略,研究針對三種材料進行加工時的不同階段,分別主導的材料去除機制。然后利用得到的微結(jié)構(gòu)特征尺寸的加工策略,在多種材料表面進行微槽及其陣列、大深徑比切割、復雜文字等典型結(jié)構(gòu)的加工。
　　基于超短皮秒脈沖激光在模具鋼和Ti表面通過“自組織”方式產(chǎn)生微納雙重結(jié)構(gòu)的技術,開發(fā)了在大氣環(huán)境下快速構(gòu)造超疏水功能性微結(jié)構(gòu)表面的新工藝策略。結(jié)果表明,具有雙重結(jié)構(gòu)的 Ti和模具鋼的表征接觸角分別高達160°和156°,滾動角分別為5°和

5、8°,不需要進行任何后處理就具有良好的超疏水功能特性。采用超短皮秒脈沖激光比應用超短飛秒脈沖激光的加工效率提高了百余倍,而且該功能結(jié)構(gòu)具有長時間的穩(wěn)定性。這為深入系統(tǒng)地研究超短皮秒脈沖激光在材料表面加工功能性微結(jié)構(gòu)的應用提供了理論依據(jù)及實驗數(shù)據(jù)。
　　在上述研究工作的基礎上,為了實現(xiàn)超疏水功能性微結(jié)構(gòu)表面的批量化、低成本化、高效化、綠色化生產(chǎn)的目標,本課題開發(fā)出了將超短皮秒脈沖激光微加工技術與軟光刻微復制技術相結(jié)合的一種全新的加工