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学术论文

[论文]飞秒激光及其在固体表面润湿性调控领域的应用

Johnny来源:激光制造商情2015-06-18我要评论(0)

近年来,飞秒激光微纳加工吸引了越来越多的关注。飞秒激光微加工是一种新型的微纳制造技术,有着许多不可比拟的独特优势。

作者:杨青教授, 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

经过数十亿年的进化和自然选择,自然界的生物为了生存演化出形形色色的功能特性,展现了结构和性能的完美统一和协调。许多生物材料表面展现出卓越的浸润特性,比如槐叶萍的水下空气收集功能,荷叶的疏水自清洁特性,水稻叶的各向异性特性,蝴蝶翅膀的各向粘滞特性,蚊子眼睛防雾特性,红玫瑰和壁虎的高粘滞性,沙漠甲虫的水滴收集功能,鲨鱼皮的减阻功能等。仿生研究表明等级结构和其他特定的成分导致了这些特性,也启发人们设计制备功能性表面。具有特殊浸润性的表面在交通、建筑、医药、微电子、新材料的合成制备乃及芯片实验室、显示技术及微/纳米机电系统等方面无不与润湿性能有着密切的关系。多种加工工艺,比如自组织,化学沉积,等离子体刻蚀和光刻技术已经成功用于多种生物仿生润湿结构制备。虽然制备的表面性能可以和自然界浸润特性相媲美,但是这些工艺多数都有技术缺陷,只能制备单尺寸结构的表面,调节手段单一,制备混合尺度的微纳米分级结构往往需要多步处理,过程复杂。

近年来,飞秒激光微纳加工吸引了越来越多的关注。飞秒激光微加工是一种新型的微纳制造技术,有着许多不可比拟的独特优势。飞秒激光脉冲宽度极短(10-15S), 较低的脉冲能量能获得极高的峰值功率, 从而大大降低加工所需能量, 如使用10fs脉冲宽度激光, 0.3mJ能量就可在聚焦为直径2μm的焦点达到1018W/cm2的峰值强度。飞秒激光能量集中在趋肤深度范围内且热影响区非常小。没有熔化及再凝固痕迹, 大大减弱和消除了传统加工中热效应带来的诸多负面影响。飞秒激光焦点处的非线性吸收可使入射激光聚焦在透明材料内部任何位置, 从而实现三维微纳加工。此外, 由于飞秒激光的烧蚀阈值精确, 可将激光的能量控制在等于或稍高于烧蚀阈值的范围内, 可进行低于衍射极限的亚微米加工。飞秒激光已经展现出它在改变表面润湿特性方面的强力潜质。这种工艺照传统工艺有着许多优势:

一步直接非掩膜加工技术。许多类似于自然界表面的微米和纳米尺度结构能被直接获得,这些结构的形貌能通过改变激光加工参数调节。
一种不需要苛刻条件的灵活工艺。实验可在不同液体和气体环境下进行,如空气,真空,水和酒精。它也不需要昂贵的超净室,从而大大降低了成本。
能很大幅度地改变许多材料的润湿性即使不需要化学涂层降低表面能。
能处理多种材料,比如金属,玻璃,陶瓷,尤其是那些高硬度,高熔点,耐腐蚀和易碎的材料。
通过高能量多光子吸收可以实现在透明介质内部加工真三维结构,从而能制备多种微流路芯片。同时,与三维数控平台的结合,使飞秒激光微纳加工逐步成为一种更高效更快捷的成型方法。

点击链接,阅读全文: //www.iemloyee.com/ebook/201505/pdf/f4.pdf

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