飞秒激光可控加工大面积均匀化表面微纳结构及其应用

发布时间：2017-04-15 06:04

  本文关键词：飞秒激光可控加工大面积均匀化表面微纳结构及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞秒脉冲激光具有持续时间超短、峰值功率超高,作用过程非线性、非平衡等特性,对于制造领域具有极其重要的意义。近年来飞秒激光微纳加工已经成为研究的热点,其中大面积均匀化制造已逐渐被人们关注。本课题将探究如何利用飞秒激光在材料表面加工出均匀,可重复的大面积微纳结构,着重从改变材料特性以及激光参数两个方向入手研究激光对表面微纳结构的调控。在此基础上,把加工出的均匀的大面积结构应用于不同的领域,例如:光学颜色效应,亲疏水特性等。本文的主要研究工作和创新点概括如下:(1)针对材料特性,采用镀膜辅助加工的方法代替传统的本征加工,调控激光与材料相互作用过程中的局部瞬时电子动态,具体以硅为例,利用飞秒激光进行镀金硅与本征硅的对比试验,观察制作相同结构时,可重复性、均匀性的变化,研究结果表明当硅表面镀20nm金膜时,基底上加工得到的周期性结构不仅交联等缺陷有明显的减少,并且线边界更加清晰整洁,对于大面积加工有非常重要的影响。(2)针对激光参数,以氧化锌材料为例,主要研究激光通量与扫描速度对加工形貌的影响规律,我们发现了一种特殊的非对称光栅分裂现象。当激光通量较高(F=0.51-0.63J/cm2)时,随着扫描速度的降低,近波长的周期性结构会发生不对称分裂从而形成两种不同间隔的(~230nm and~430nm)双光栅结构。当激光通量较低(F=0.4-0.45J/cm2)时,近波长的周期性结构会从中间进行分裂形成周期为~340nm的条纹结构。尽管氧化锌上的周期性结构已被广泛研究,但不对称分裂形成双光栅的这种现象为首次发现,对进一步理解激光加工半导体的作用机理提供了实验证据。根据这种不同条件下产生不同的分裂现象我们推测等离子体效应(SPP)和二次谐波效应(SHG)分别在不同条件下分别起主要作用,但机理仍待进一步研究。(3)飞秒激光加工后,材料表面得到的大面积,可重复,均匀的周期性结构在光学领域和超疏水领域都有广泛的应用。本课题主要以金属钛和镍为例,研究了不同激光参数下表面周期性结构的浸润特性以及光学特性。其中,在镍表面加工的微纳米结构既可以实现超疏水的效果,又可以在不同的观测角度下呈现不同的结构色。需要指出的是,调节激光参数导致的表面结构的改变也会使得颜色有所变化,因此可以通过调节表面结构,例如周期等参数对颜色进行可控精细调节。在激光加工金属钛的实验中,我们同样实现了超疏水的效果,并且接触角达可以达到160°以上。此外,我们初步探究了钛表面亲疏水的转化,对飞秒激光微纳加工应用领域具有重要的研究意义。
【关键词】：飞秒激光 金膜 光栅分裂 超疏水 颜色效应
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 课题背景11-15
• 1.1.1 飞秒激光11
• 1.1.2 飞秒激光微/纳加工11-15
• 1.2 激光参数与外界环境对材料加工的影响15-19
• 1.3 激光诱导表面结构的广泛应用19-24
• 1.4 本课题的研究内容24-27
• 1.4.1 研究内容24-25
• 1.4.2 文章简介25-27
• 第二章 飞秒激光作用机理及加工系统27-33
• 2.1 飞秒激光与物质相互作用机理27-28
• 2.2 飞秒激光加工实验系统28-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 硅表面镀金辅助飞秒激光加工均匀周期性结构33-49
• 3.1 镀膜加工思想的来源33-36
• 3.2 材料与激光参数对激光诱导表面结构的影响36-44
• 3.2.1 金膜厚度对激光诱导表面结构的影响36-39
• 3.2.2 激光通量对激光诱导表面结构的影响39-41
• 3.2.3 硅与镀金硅表面形貌随着脉冲数的演化过程41-44
• 3.3 飞秒激光加工镀金硅的理论解释44-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 飞秒激光诱导氧化锌产生表面周期性结构49-75
• 4.1 飞秒激光诱导氧化锌表面产生不同周期分裂现象49-56
• 4.1.1 激光线扫描加工氧化锌表面产生边缘分裂现象49-52
• 4.1.2 激光线扫描加工氧化锌表面产生中间分裂现象52-53
• 4.1.3 对应线扫描下激光加工烧蚀弹坑的形貌变化53-56
• 4.2 LSFL向HSFL不同形式转化的参数区域与理论解释56-64
• 4.2.1 边缘/中间分裂现象的扫描速度和能量区域总结56-57
• 4.2.2 激光诱导氧化锌产生表面周期性结构的机理争议57-62
• 4.2.3 激光诱导氧化锌表面产生中间/边缘分裂现象的机理解释62-64
• 4.3 飞秒激光加工镀金氧化锌与氧化锌的对比64-66
• 4.4 氧化锌表面周期性结构的产生与消除66-69
• 4.5 激光诱导氧化锌大面积周期性结构的应用69-74
• 4.6 本章小结74-75
• 第五章 飞秒激光在金属表面加工微纳结构及其应用75-85
• 5.1 飞秒激光诱导锌表面微纳结构及其光学特性75-77
• 5.2 飞秒激光诱导钛/镍表面微纳结构的加工77-81
• 5.3 钛/镍表面结构的光学特性及浸润特性81-84
• 5.4 本章小结84-85
• 结论85-87
• 参考文献87-95
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单95-97
• 致谢97

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本文编号：307748