飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法
2023-05-21 03:53:41
專利名稱：飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法，屬於微結構表面設計製備及雷射微加工技術領域。
背景技術：
固體表面的溼潤性是一個十分重要的研究課題，因為它在工農業生產和科學研究上有著許多實際的應用。溼潤性的直接衡量標準就是測量一個液體在固體表面的靜接觸角。通常，接觸角小於90°，我們認為這個表面是親水性的；反之如果大於90°，那這個接觸角則是疏水性的。特別是對固體表面的疏水性而言，其最主要的應用價值便體現在其抗汙染和自清潔兩方面，因為這兩個特性有著廣泛的應用前景，比如船舶表面的抗生物吸附、 天線或者雷達的抗雪、汽車擋風玻璃的自清潔、建築物表面的抗腐蝕鍍膜和微流體無損傳輸。因此目前這方面的相關研究開展的越來越多。目前已知的影響固體表面疏水特性的主要因素是兩個表面自由能和表面粗糙度，因此大部分研究都是從這兩個因素出發。通過化學修飾的方法可以使得固體表面自由能降低或者在表面構建微米或者納米結構以增加表面粗糙度。通常化學修飾方法就是塗覆一層低表面能的化學物質氟矽烷在不同類型的固體表面上，使得固體表面出現疏水性；而使得固體表面粗糙化的方法現在越來越多，主要用模板法、光刻蝕法和電化學沉積法。模板法通過一種多孔陽極氧化鋁模板覆蓋在固體表面，然後將聚合物加熱熔化使其壓入模板孔內，待聚合物冷卻凝結後將模板取下，這樣就在固體表面留下了與模板孔陣相一致的聚合物陣列，通過這種方法可以在固體表面製得具有規則排列的聚合物陣列體系，但是由於需要事先製備模板，因此前期工序比較繁雜。光刻蝕法傳統的方式是通過紫外光加掩膜的技術進行表面微加工，該工藝技術成熟，精度高，但是設備昂貴、工序多。最近發展的飛秒雷射直寫方法操作簡單，可在多種材料表面刻寫相關的微結構，因此受到廣泛關注，目前已知在金屬或者金屬基氧化物薄膜表面實現了疏水性微結構的製備。電化學沉積法主要是以銅、鋁或者ITO玻璃等導電材料為基材，然後通以一定的電流，並浸泡在相應的反應氣體或者液體溶劑中，目的是使得材料的表面經過電化學腐蝕後出現一定的粗糙化結構。但是這種化學腐蝕方法耗時較長，難以獲得均勻的疏水性表面。儘管目前疏水材料的製備方法日益多樣化，但是基體材料的選擇是一個十分重要的考慮，選擇一種常用的並且價格低廉的材料作為疏水表面的基體顯得十分重要。有機玻璃是一種在化工領域容易生產的高分子聚合物材料，它有著高度透明性、高機械強度、重量輕和易於加工等多個優點，可以廣泛應用於商業、輕工、建築、化工等方面，特別在廣告牌製作、醫療注射器械、透明視窗等產品上對疏水性有著密切的需求。因此發展一種在有機玻璃表面製備疏水性微結構的技術就顯得尤為重要
發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法。本方法利用聚焦後的飛秒雷射直接掃描光滑的有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)表面，通過雷射燒蝕作用使得輻照過的區域產生結構變化進而形成疏水性微結構。本發明的基本構思是，將一束經物鏡聚焦的飛秒雷射直接輻照在有機玻璃表面， 由於聚焦後的光斑非常小，可以達到微米量級，因此在輻照區域也就形成了與光斑尺度相當的燒蝕區域，利用這種燒蝕機制可以在有機玻璃表面產生周期性微米量級的微結構。為達到上述目的，基於以上構思，本發明採用如下技術方案
一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法，具體步驟如下
a.將有機玻璃表面在蒸餾水下衝洗，去除表面灰塵雜質，然後用冷風進行乾燥；
b.將有機玻璃放置在三維精密位移加工平臺上，飛秒雷射經光路引導再經顯微鏡物鏡聚焦到有機玻璃表面上，由程序設置雷射掃描參數，自動刻寫不同周期的微米量級的線陣微結構或者面陣微結構；
c.將刻蝕完畢的有機玻璃在無水乙醇浸泡下超聲清洗20分鐘，去除表面碎屑。上述飛秒雷射選用脈衝寬度為6(T200fs，波長為70(TlIOOnm的超短脈衝雷射，其單脈衝雷射能量為1 μ Γ3πα、脈衝頻率為IkHz或250kHz。上述有機玻璃厚度範圍為0. 5 2mm。上述周期性線陣微結構的條紋寬度為1(Γ30μπι，條紋之間的距離為1(Γ30μπι。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點
本發明工藝簡單，材料成本低廉，製備效率較高。普通的有機玻璃經過飛秒雷射直接掃描成形後再經過簡單清洗後便具有表面疏水性的特性，無需其他的後續處理。通過三維移動平臺的程序化控制可使得該製備方法各項參數的選擇性較高，能夠自由選擇加工區域的面積大小和微結構的尺度以實現不同疏水角的控制，以滿足不同應用條件下的科技產品開發。
圖1是飛秒雷射有機玻璃表面微結構加工系統示意圖。圖2是實施例1本方法在有機玻璃表面製備疏水性微結構的照片。圖3是實施例2本方法在有機玻璃表面製備疏水性微結構的照片。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。如圖1所示，本發明方法的實驗裝置包括飛秒雷射器1、功率衰減器2、電子快門3、 反射鏡4、顯微物鏡5、三維精密位移加工平臺7和控制程序的電腦8 ；飛秒雷射器1和光學顯微鏡以及三維精密位移加工平臺中間以傳輸光路引導，光路中包含光功率衰減器2和電子快門3，有機玻璃樣品6放置於三維精密位移加工平臺7上，加工平臺7和電子快門3都由電腦程式控制。本發明方法的具體步驟如下
a.將有機玻璃樣品6表面在蒸餾水下衝洗，去除表面灰塵雜質，然後用冷風進行幹b.將有機玻璃樣品6放置在三維精密位移加工平臺7上，飛秒雷射經光路引導再經顯微鏡物鏡5聚焦到機玻璃樣品6表面上，由程序設置雷射掃描參數，自動刻寫不同周期的微米量級的線陣微結構或者面陣微結構；
c.將刻蝕完畢的機玻璃樣品6在無水乙醇浸泡下超聲清洗20分鐘，去除表面碎屑。實施例1
飛秒雷射器發出的雷射脈衝參數如下脈衝寬度為120fs，波長為800nm，脈衝頻率為 1kHz，單個脈衝能量為3mJ。這些脈衝通過20X (N. A=O. 45)的物鏡聚焦在有機玻璃表面上， 飛秒雷射的光斑直徑為10 μ m。由於飛秒雷射輻照有機玻璃時會使得雷射輻照區域的材料發生燒蝕作用，因而產生了明顯的結構變化，這樣通過雷射掃描作用可以在有機玻璃表面形成周期性的微結構。參照圖2所示，(a)為未經過飛秒雷射輻照的有機玻璃表面的水滴靜態接觸角照片，數值為79. 5°，這個結果表明此時有機玻璃表面呈現親水的特性；(b)為通過飛秒雷射線掃描方式在有機玻璃表面得到的微結構的顯微光學照片，其中雷射刻寫的平行條紋線寬為30 μ m而條紋之間的間距為10 μ m,掃描速度約在1. 6mm/s ； (c)圖為該微結構表面平行於雷射掃描方向上的接觸角，數值為97. 5°，已經呈現輕微的疏水性；(d)圖為該微結構表面垂直於雷射掃描方向上的接觸角，數值為137.5°，這個結果說明線掃描方式使得有機玻璃表面的疏水特性具有一定的方向選擇性。實施例2
本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在於，先通過一次線掃描得到周期條紋，線寬為30 μ m且間距也為30 μ m,完成後將樣品旋轉90°，以剛才的參數重複掃描一次，形成正交結構，結果如圖3所示。(a)為未經過飛秒雷射輻照的有機玻璃表面的水滴靜態接觸角照片，數值為81.0° ； (b)為通過飛秒雷射面掃描方式在有機玻璃表面得到的微結構的顯微光學照片；(c)和(d)分別微結構表面在兩個相互垂直方向上的接觸角測量結果，(c) 133.3°和(d) 126.6°，這個結果表明有機玻璃表面在這種飛秒雷射直寫的正交微結構區域呈現了非常均勻的疏水性。
權利要求
1.一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法，其特徵在於，具體步驟如下a.將有機玻璃表面在蒸餾水下衝洗，去除表面灰塵雜質，然後用冷風進行乾燥；b.將有機玻璃放置在三維精密位移加工平臺上，飛秒雷射經光路引導再經顯微鏡物鏡聚焦到有機玻璃表面上，由程序設置雷射掃描參數，自動刻寫不同周期的微米量級的線陣微結構或者面陣微結構；c.將刻蝕完畢的有機玻璃在無水乙醇浸泡下超聲清洗20分鐘，去除表面碎屑。
2.根據權利要求1所述的一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法， 其特徵在於，所述飛秒雷射選用脈衝寬度為從6(T200fs，波長為70(Tll00nm的超短脈衝雷射，其單脈衝雷射能量為1 μ Γ3πα、脈衝頻率為IkHz或250kHz。
3.根據權利要求1所述的一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法，其特徵在於，所述有機玻璃厚度範圍為0. 5 2mm。
4.根據權利要求1所述的一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法，其特徵在於，所述周期性線陣微結構的條紋寬度為1(Γ30μπι，條紋之間的距離為 10 30μπιο
全文摘要
本發明涉及一種飛秒雷射在有機玻璃表面製備疏水性微結構的方法，主要過程如下將飛秒雷射發射的光束經過顯微物鏡聚焦後輻照到有機玻璃表面，由於聚焦後的光斑非常小並且功率密度很高，可以在輻照區域形成與光斑尺度相當的燒蝕區域，並且放置樣品的平臺可以通過電腦程式進行三維精密控制，因此利用這種雷射加工技術可以在有機玻璃表面產生周期性微米量級的微結構。經過接觸角測試儀的檢測，這些微結構具有十分明顯的疏水性特徵，並且在其表面水滴的溼潤程度與微結構的周期和種類有關。本發明製作工藝簡單，原材料成本低廉，具有非常高的參數選擇性和可控性，可以在有機玻璃表面製得不同尺寸和圖案的疏水性微結構。
文檔編號B23K26/40GK102336393SQ20111030285
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月10日 優先權日2011年10月10日
發明者任勇, 卞華棟, 戴曄 申請人:上海大學