本文關(guān)鍵詞：飛秒激光可控加工大面積均勻化表面微納結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：飛秒脈沖激光具有持續(xù)時間超短、峰值功率超高,作用過程非線性、非平衡等特性,對于制造領(lǐng)域具有極其重要的意義。近年來飛秒激光微納加工已經(jīng)成為研究的熱點,其中大面積均勻化制造已逐漸被人們關(guān)注。本課題將探究如何利用飛秒激光在材料表面加工出均勻,可重復(fù)的大面積微納結(jié)構(gòu),著重從改變材料特性以及激光參數(shù)兩個方向入手研究激光對表面微納結(jié)構(gòu)的調(diào)控。在此基礎(chǔ)上,把加工出的均勻的大面積結(jié)構(gòu)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,例如:光學(xué)顏色效應(yīng),親疏水特性等。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點概括如下:(1)針對材料特性,采用鍍膜輔助加工的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的本征加工,調(diào)控激光與材料相互作用過程中的局部瞬時電子動態(tài),具體以硅為例,利用飛秒激光進(jìn)行鍍金硅與本征硅的對比試驗,觀察制作相同結(jié)構(gòu)時,可重復(fù)性、均勻性的變化,研究結(jié)果表明當(dāng)硅表面鍍20nm金膜時,基底上加工得到的周期性結(jié)構(gòu)不僅交聯(lián)等缺陷有明顯的減少,并且線邊界更加清晰整潔,對于大面積加工有非常重要的影響。(2)針對激光參數(shù),以氧化鋅材料為例,主要研究激光通量與掃描速度對加工形貌的影響規(guī)律,我們發(fā)現(xiàn)了一種特殊的非對稱光柵分裂現(xiàn)象。當(dāng)激光通量較高(F=0.51-0.63J/cm2)時,隨著掃描速度的降低,近波長的周期性結(jié)構(gòu)會發(fā)生不對稱分裂從而形成兩種不同間隔的(~230nm and~430nm)雙光柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光通量較低(F=0.4-0.45J/cm2)時,近波長的周期性結(jié)構(gòu)會從中間進(jìn)行分裂形成周期為~340nm的條紋結(jié)構(gòu)。盡管氧化鋅上的周期性結(jié)構(gòu)已被廣泛研究,但不對稱分裂形成雙光柵的這種現(xiàn)象為首次發(fā)現(xiàn),對進(jìn)一步理解激光加工半導(dǎo)體的作用機(jī)理提供了實驗證據(jù)。根據(jù)這種不同條件下產(chǎn)生不同的分裂現(xiàn)象我們推測等離子體效應(yīng)(SPP)和二次諧波效應(yīng)(SHG)分別在不同條件下分別起主要作用,但機(jī)理仍待進(jìn)一步研究。(3)飛秒激光加工后,材料表面得到的大面積,可重復(fù),均勻的周期性結(jié)構(gòu)在光學(xué)領(lǐng)域和超疏水領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本課題主要以金屬鈦和鎳為例,研究了不同激光參數(shù)下表面周期性結(jié)構(gòu)的浸潤特性以及光學(xué)特性。其中,在鎳表面加工的微納米結(jié)構(gòu)既可以實現(xiàn)超疏水的效果,又可以在不同的觀測角度下呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)色。需要指出的是,調(diào)節(jié)激光參數(shù)導(dǎo)致的表面結(jié)構(gòu)的改變也會使得顏色有所變化,因此可以通過調(diào)節(jié)表面結(jié)構(gòu),例如周期等參數(shù)對顏色進(jìn)行可控精細(xì)調(diào)節(jié)。在激光加工金屬鈦的實驗中,我們同樣實現(xiàn)了超疏水的效果,并且接觸角達(dá)可以達(dá)到160°以上。此外,我們初步探究了鈦表面親疏水的轉(zhuǎn)化,對飛秒激光微納加工應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的研究意義。
【關(guān)鍵詞】：飛秒激光 金膜 光柵分裂 超疏水 顏色效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG665
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 課題背景11-15
• 1.1.1 飛秒激光11
• 1.1.2 飛秒激光微/納加工11-15
• 1.2 激光參數(shù)與外界環(huán)境對材料加工的影響15-19
• 1.3 激光誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用19-24
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容24-27
• 1.4.1 研究內(nèi)容24-25
• 1.4.2 文章簡介25-27
• 第二章 飛秒激光作用機(jī)理及加工系統(tǒng)27-33
• 2.1 飛秒激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理27-28
• 2.2 飛秒激光加工實驗系統(tǒng)28-32
• 2.3 本章小結(jié)32-33
• 第三章 硅表面鍍金輔助飛秒激光加工均勻周期性結(jié)構(gòu)33-49
• 3.1 鍍膜加工思想的來源33-36
• 3.2 材料與激光參數(shù)對激光誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)的影響36-44
• 3.2.1 金膜厚度對激光誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)的影響36-39
• 3.2.2 激光通量對激光誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)的影響39-41
• 3.2.3 硅與鍍金硅表面形貌隨著脈沖數(shù)的演化過程41-44
• 3.3 飛秒激光加工鍍金硅的理論解釋44-47
• 3.4 本章小結(jié)47-49
• 第四章 飛秒激光誘導(dǎo)氧化鋅產(chǎn)生表面周期性結(jié)構(gòu)49-75
• 4.1 飛秒激光誘導(dǎo)氧化鋅表面產(chǎn)生不同周期分裂現(xiàn)象49-56
• 4.1.1 激光線掃描加工氧化鋅表面產(chǎn)生邊緣分裂現(xiàn)象49-52
• 4.1.2 激光線掃描加工氧化鋅表面產(chǎn)生中間分裂現(xiàn)象52-53
• 4.1.3 對應(yīng)線掃描下激光加工燒蝕彈坑的形貌變化53-56
• 4.2 LSFL向HSFL不同形式轉(zhuǎn)化的參數(shù)區(qū)域與理論解釋56-64
• 4.2.1 邊緣/中間分裂現(xiàn)象的掃描速度和能量區(qū)域總結(jié)56-57
• 4.2.2 激光誘導(dǎo)氧化鋅產(chǎn)生表面周期性結(jié)構(gòu)的機(jī)理爭議57-62
• 4.2.3 激光誘導(dǎo)氧化鋅表面產(chǎn)生中間/邊緣分裂現(xiàn)象的機(jī)理解釋62-64
• 4.3 飛秒激光加工鍍金氧化鋅與氧化鋅的對比64-66
• 4.4 氧化鋅表面周期性結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與消除66-69
• 4.5 激光誘導(dǎo)氧化鋅大面積周期性結(jié)構(gòu)的應(yīng)用69-74
• 4.6 本章小結(jié)74-75
• 第五章 飛秒激光在金屬表面加工微納結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用75-85
• 5.1 飛秒激光誘導(dǎo)鋅表面微納結(jié)構(gòu)及其光學(xué)特性75-77
• 5.2 飛秒激光誘導(dǎo)鈦/鎳表面微納結(jié)構(gòu)的加工77-81
• 5.3 鈦/鎳表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性及浸潤特性81-84
• 5.4 本章小結(jié)84-85
• 結(jié)論85-87
• 參考文獻(xiàn)87-95
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文與研究成果清單95-97
• 致謝97

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本文編號：307748