超短脉冲激光加工超疏水功能性微结构表面_姜涛
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在此提出了一种全新的方法，即采用基于超快 皮秒脉冲的微加工技术构造微纳双重结构，从而使 金属材料表面具有超疏水的功能特性。
2 试验
试验所用皮秒脉冲激光源的参数为：线性偏振， 波长 532nm，脉冲宽度 8． 1ps，光束质量 M2 ＜ 1． 1，脉 冲重 复 频 率 10 － 640kHz，最 大 输 出 单 脉 冲 能 量 100μJ。加工中所用聚焦透镜焦距为 100mm，对应 的有效光斑面积为 16μm。五轴数控超短皮秒脉冲 激光加工定位平台的参数为：定位精度为 ± 250nm， 加速度≥20m / s2 ，X-Y-Z 三维直线轴的行程为 300 × 300 × 200mm。超短皮秒脉冲激光微加工系统示意
由图 3 可知，在加工区域的中间位置形成了微 锥结构，而且随着脉冲个数的增加其粗糙化程度不 断加剧。通过逐行扫描的方式，使单点的边缘与中 间位置相互重叠，从而形成规则的微锥阵列结构。
图 3 脉冲个数为 100 和 500 的单点加工微结构形貌
在分析微锥结构形成机理及优化加工参数的基 础上，在面积为 5 × 5mm2 的钛表面进行了功能性微 结构表面的加工。采用能流密度范围为 0． 05J / cm2 － 0． 3J / cm2 的脉冲激光，研究其对加工表面功能特 性的影响。加工每个区域的时间约为 20min，结果 如图 4 所示。产生微锥结构的最低能量值为 0． 1 J / cm2 。当能量增加到 0． 3J / cm2 时，单个微结构的尺 寸增加到了 5 倍，此时在微结构的锥顶观察到了热 融化的迹象。
收稿日期： 2014 年 7 月
构制造则是在表面加工制造出具有各种不同形貌、 不同尺度、不同维数、具有不同功能的结构。而对于 此类功能性微结构表面的制备，化学等方法又受到 诸多因素限制。最新的研究表明，超短脉冲激光以 其一系列独特的加工优势而备受关注［12］，它不仅可 以避免长脉冲激光加工的缺陷，还可以实现典型复 杂微结构的加工［13］。
7． 半波片 8． 聚焦透镜 9． 外接放大器 10． 倍频发生器 LBO 晶体 11． 分色镜 12． 控光装置 13． 光束轮廓曲线仪 14． 第一扩束镜 15． 第二扩束镜 16． 光束放大组件开普勒扩束镜 17． 聚焦加工镜头 18． 工件 19． 加工平台 20． 显微成像 CCD 组件 21． 电脑控制单元
的超疏水特性，所对应的静态接触角高达 158°，而
滚动角却小于 5°。由此可见，微结构的功能特性强
烈依赖于其微观形貌。
4 结语
本文提出了采用超短皮秒脉冲激光加工微纳双 重结构的方法。试验结果表明，在大气环境下，超短 皮秒脉冲激光在金属材料表面可以一次构造出具有 微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面，其静态 接触角可以高达 158°，而滚动角小于 5°。通过试验 证实了该方法的可行性与正确性。这也为超疏水等 功能性微结构表面的高效、低成本、高保真加工提供 了全新的解决方法。
图 1 超短皮秒脉冲激光微加工系统示意图
激光束经准直后输出，并经加工透镜聚焦到载 物台上的工件表面。计算机发送指令给控制器，驱 动工作台带动工件运动，最终产生与光束相对运动 的轨迹。微加工系统通过光开关实现光束的关闭与 开启。计算机软件控制系统统一协调工作台的精密 运动与光开关的通断，实现脉冲激光对材料的微加 工及表面处理。
（ e） 单个微锥结构形貌
（ f） 能流密度 0． 3J / cm2 ，
静态接触角 120°
图 4 激光能量对结构形貌及功能性的影响
此外，对微结构表面的功能性用测角仪进行了
测试。在钛的原始表面，其接触角 仅 为 60° （ 见 图
4a） ，呈现出较强的亲水性。随着能流密度的增加，
微结构表面的疏水特性不断增加，直至呈现出优良
试件钛的尺寸为 5mm × 5mm × 1mm，在加工前 首先对样件进行抛光处理。加Fra Baidu bibliotek时，将试件固定在 微加工系统平台上，通过线扫描法在表面形成微结 构。扫描线间距范围为 3 － 5μm，扫描速度为 100 － 5000mm / min。该试验过程完全在大气条件下进行。
激光光束质量对加工微结构的形貌特征起着决 定性的作用。因此，在加工系统性能的测试中，重点 对脉冲激光的光束质量进行了测量。应用 SPIDEＲ 对光束的时间特性进行测试的结果如图 2 所示。光 束的能量分布非常良好的体现了高斯分布特性，能 够满足微加工的要求。
摘要： 典型微结构的制备，尤其是具备特定功能性微结构表面的高效加工已成为加工制造业的研究热点。以
超快皮秒脉冲激光 为 加 工 手 段，实 现 超 疏 水 功 能 性 微 结 构 表 面 的 高 效 制 备。 试 验 结 果 显 示，采 用 脉 冲 宽 度 为
8． 1ps、波长为 532nm 的超短皮秒脉冲激光可以一次构造出具有微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面，其静态
参考文献
［1］Neinhuis C，Barthlott W． Characterization and distribution of water-repellent，self-cleaning plant surfaces［J］． Annals of Botany，1997，79： 667-677．
图 2 飞秒脉冲激光光束时间特性测试
加工完成后，用扫描电子显微镜（ SEM） 对加工
（ a） 光滑钛表面接触角为 60°
（ b） 能流密度 0． 1J / cm2 ， 静态接触角 135°
2015 年第 49 卷 No． 5
53
（ c） 能流密度 0． 14J / cm2 ， 静态接触角 150°
DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2015.05.014
2015 年第 49 卷 No． 5
51
超短脉冲激光加工超疏水功能性微结构表面
姜涛1 ，杨宏青1 ，董志伟2 ，樊喜刚1 ，赵清亮3
1 北京星航机电装备有限公司；2 哈尔滨工业大学可调谐激光国家级重点实验室； 3 哈尔滨工业大学精密工程研究所
52
工具技术
图如图 1 所示。
区域的微结构形貌进行检测。同时，并采用 OCA40 测角仪对微结构的功能特性进行测试，所用液滴体 积为 2μl，每一区域均测试 6 － 8 次，然后取其平均 值，以提高测试结果的可靠性。
3 结果及分析
1． 皮秒脉冲激光源 2． 光频隔离器 3． 反射镜 4． 旋转液晶偏振片 5． 偏振分束器 6． 束流收集器
微纳双重结构的形成机理对于控制微结构形貌 及其功能性具有非常重要的指导作用。因此，首先 进行单点加工试验。结果表明微结构的形成机理是 熔化、蒸发、刻蚀、重凝与烧蚀过程共同作用的一个 动态过程。 有 效 的 激 光 参 数，如 脉 冲 数 目、脉 冲 宽 度、波长、能流密度及聚焦光斑尺寸又是导致上述机 理的根源。在能流密度为 2J / cm2 时，分别用 100 和 500 个脉冲进行了试验，所获得的微结构形貌如图 3 所示。
接触角可以高达 158°，滚动角小于 5°。该试验为此类功能性微结构表面的加工及应用开拓了全新的技术方法，应
用前景广阔。
关键词： 皮秒激光；微纳双重结构；超疏水；功能性微结构表面
中图分类号： TG506． 9
文献标志码： A
Superhydrophobic Functional Surface Processing with Ultra － short Laser Pulses
（ d） 能流密度 0． 17J / cm2 ， 静态接触角 158°
研究［J］． 仪表技术与传感器，2006（1） ：8-10． ［5］Aranzazu C，Eduard A． Fabrication approaches for generating
complex micro- and nanopatterns on polymeric surfaces［J］． Chemical Ｒeviews，2008，108（3） ： 911-945． ［6］Brinksmeier E，Preuss W，Schmutz J． Manufacturing of microstructures by diamond machining in progress in precision engineering and nano- technology［C］． Proceedings of 9th International Proceeding Engineering Seminar， Braunschweig，1997： 503-507． ［7］袁巨龙，王志伟，文东辉，等． 超精密加工现状综述［J］． 机械工程学报，2007，43（1） ：35-48． ［8］孙晓慧，周常河． 飞秒激光加工最新进展［J］． 激光与光 电子学进展，2004，41（9） ：37-45． 第一作者：姜 涛，北 京 星 航 机 电 装 备 有 限 公 司 技 术 中 心，100074 北京市
在材料表面构造微结构引起了其在工业和科研 领域的又一研究热潮，如具有微纳双重结构的表面 可以具备超疏水功能特性［1 － 3］，从而拥有良好的自 清洁［1，2］、控制细胞生长［4］、储存太阳能［5］等一系列 广泛的应用。
表面构造微结构就是在不损伤材料基体特性的 前提下，使其具备全新的功能。目前，已有多种方法 可对材料 表 面 进 行 加 工 处 理，如 化 学 刻 蚀［6］、电 化 学沉积［7］、物理 / 化学气相沉积［8］、机械方法和激光 处理［5，9 － 11］等。机械加工方法主要以获得低的表面 粗糙度、高的尺寸和形状精度为目的，而表面功能结
［2］Blossey Ｒ． Self-cleaning surfaces-virtual realities［J］． Nature Materials，2003，2（5） ： 301-306．
Keywords： picosecond laser；hierarchical structures；superhydrophobic；functional surface
1 引言
表面功能结构是近 30 年发展起来的新兴多学科 交叉研究领域，已成为国内外研究热点。生产的迅速 发展及其技术竞争使表面功能结构技术日益提高，并 已成为航空航天、国防、微电子、生物材料、汽车等高 技术领域进一步提高设备和产品性能的关键。
Jiang Tao，Yang Hongqing，Dong Zhiwei，Pan Xigang，Zhao Qingliang
Abstract： Fabricating typical micro structures have become one of the hottest issues in the manufacturing industry， especially efficient processing of specific functional micro structure surfaces． In this study，high repetition rate picosecond laser pulses are used to form hierarchical structures in air for the development of superhydrophobic surfaces． The experimental results show that，with a pulse width 8． 1ps，wavelength of 532 nm picosecond laser can micromachining hierarchical structures with superhydrophobic functionality without any post － treatment，which static contact angle is 158°，as well as sliding angle is less than 5°． This approach demonstrates a new low － cost，high － efficiency processing functional surfaces with picosecond laser．
2 试验
试验所用皮秒脉冲激光源的参数为：线性偏振， 波长 532nm，脉冲宽度 8． 1ps，光束质量 M2 ＜ 1． 1，脉 冲重 复 频 率 10 － 640kHz，最 大 输 出 单 脉 冲 能 量 100μJ。加工中所用聚焦透镜焦距为 100mm，对应 的有效光斑面积为 16μm。五轴数控超短皮秒脉冲 激光加工定位平台的参数为：定位精度为 ± 250nm， 加速度≥20m / s2 ，X-Y-Z 三维直线轴的行程为 300 × 300 × 200mm。超短皮秒脉冲激光微加工系统示意
由图 3 可知，在加工区域的中间位置形成了微 锥结构，而且随着脉冲个数的增加其粗糙化程度不 断加剧。通过逐行扫描的方式，使单点的边缘与中 间位置相互重叠，从而形成规则的微锥阵列结构。
图 3 脉冲个数为 100 和 500 的单点加工微结构形貌
在分析微锥结构形成机理及优化加工参数的基 础上，在面积为 5 × 5mm2 的钛表面进行了功能性微 结构表面的加工。采用能流密度范围为 0． 05J / cm2 － 0． 3J / cm2 的脉冲激光，研究其对加工表面功能特 性的影响。加工每个区域的时间约为 20min，结果 如图 4 所示。产生微锥结构的最低能量值为 0． 1 J / cm2 。当能量增加到 0． 3J / cm2 时，单个微结构的尺 寸增加到了 5 倍，此时在微结构的锥顶观察到了热 融化的迹象。
收稿日期： 2014 年 7 月
构制造则是在表面加工制造出具有各种不同形貌、 不同尺度、不同维数、具有不同功能的结构。而对于 此类功能性微结构表面的制备，化学等方法又受到 诸多因素限制。最新的研究表明，超短脉冲激光以 其一系列独特的加工优势而备受关注［12］，它不仅可 以避免长脉冲激光加工的缺陷，还可以实现典型复 杂微结构的加工［13］。
7． 半波片 8． 聚焦透镜 9． 外接放大器 10． 倍频发生器 LBO 晶体 11． 分色镜 12． 控光装置 13． 光束轮廓曲线仪 14． 第一扩束镜 15． 第二扩束镜 16． 光束放大组件开普勒扩束镜 17． 聚焦加工镜头 18． 工件 19． 加工平台 20． 显微成像 CCD 组件 21． 电脑控制单元
的超疏水特性，所对应的静态接触角高达 158°，而
滚动角却小于 5°。由此可见，微结构的功能特性强
烈依赖于其微观形貌。
4 结语
本文提出了采用超短皮秒脉冲激光加工微纳双 重结构的方法。试验结果表明，在大气环境下，超短 皮秒脉冲激光在金属材料表面可以一次构造出具有 微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面，其静态 接触角可以高达 158°，而滚动角小于 5°。通过试验 证实了该方法的可行性与正确性。这也为超疏水等 功能性微结构表面的高效、低成本、高保真加工提供 了全新的解决方法。
图 1 超短皮秒脉冲激光微加工系统示意图
激光束经准直后输出，并经加工透镜聚焦到载 物台上的工件表面。计算机发送指令给控制器，驱 动工作台带动工件运动，最终产生与光束相对运动 的轨迹。微加工系统通过光开关实现光束的关闭与 开启。计算机软件控制系统统一协调工作台的精密 运动与光开关的通断，实现脉冲激光对材料的微加 工及表面处理。
（ e） 单个微锥结构形貌
（ f） 能流密度 0． 3J / cm2 ，
静态接触角 120°
图 4 激光能量对结构形貌及功能性的影响
此外，对微结构表面的功能性用测角仪进行了
测试。在钛的原始表面，其接触角 仅 为 60° （ 见 图
4a） ，呈现出较强的亲水性。随着能流密度的增加，
微结构表面的疏水特性不断增加，直至呈现出优良
试件钛的尺寸为 5mm × 5mm × 1mm，在加工前 首先对样件进行抛光处理。加Fra Baidu bibliotek时，将试件固定在 微加工系统平台上，通过线扫描法在表面形成微结 构。扫描线间距范围为 3 － 5μm，扫描速度为 100 － 5000mm / min。该试验过程完全在大气条件下进行。
激光光束质量对加工微结构的形貌特征起着决 定性的作用。因此，在加工系统性能的测试中，重点 对脉冲激光的光束质量进行了测量。应用 SPIDEＲ 对光束的时间特性进行测试的结果如图 2 所示。光 束的能量分布非常良好的体现了高斯分布特性，能 够满足微加工的要求。
摘要： 典型微结构的制备，尤其是具备特定功能性微结构表面的高效加工已成为加工制造业的研究热点。以
超快皮秒脉冲激光 为 加 工 手 段，实 现 超 疏 水 功 能 性 微 结 构 表 面 的 高 效 制 备。 试 验 结 果 显 示，采 用 脉 冲 宽 度 为
8． 1ps、波长为 532nm 的超短皮秒脉冲激光可以一次构造出具有微纳双重结构的超疏水功能性微结构表面，其静态
参考文献
［1］Neinhuis C，Barthlott W． Characterization and distribution of water-repellent，self-cleaning plant surfaces［J］． Annals of Botany，1997，79： 667-677．
图 2 飞秒脉冲激光光束时间特性测试
加工完成后，用扫描电子显微镜（ SEM） 对加工
（ a） 光滑钛表面接触角为 60°
（ b） 能流密度 0． 1J / cm2 ， 静态接触角 135°
2015 年第 49 卷 No． 5
53
（ c） 能流密度 0． 14J / cm2 ， 静态接触角 150°
DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2015.05.014
2015 年第 49 卷 No． 5
51
超短脉冲激光加工超疏水功能性微结构表面
姜涛1 ，杨宏青1 ，董志伟2 ，樊喜刚1 ，赵清亮3
1 北京星航机电装备有限公司；2 哈尔滨工业大学可调谐激光国家级重点实验室； 3 哈尔滨工业大学精密工程研究所
52
工具技术
图如图 1 所示。
区域的微结构形貌进行检测。同时，并采用 OCA40 测角仪对微结构的功能特性进行测试，所用液滴体 积为 2μl，每一区域均测试 6 － 8 次，然后取其平均 值，以提高测试结果的可靠性。
3 结果及分析
1． 皮秒脉冲激光源 2． 光频隔离器 3． 反射镜 4． 旋转液晶偏振片 5． 偏振分束器 6． 束流收集器
微纳双重结构的形成机理对于控制微结构形貌 及其功能性具有非常重要的指导作用。因此，首先 进行单点加工试验。结果表明微结构的形成机理是 熔化、蒸发、刻蚀、重凝与烧蚀过程共同作用的一个 动态过程。 有 效 的 激 光 参 数，如 脉 冲 数 目、脉 冲 宽 度、波长、能流密度及聚焦光斑尺寸又是导致上述机 理的根源。在能流密度为 2J / cm2 时，分别用 100 和 500 个脉冲进行了试验，所获得的微结构形貌如图 3 所示。
接触角可以高达 158°，滚动角小于 5°。该试验为此类功能性微结构表面的加工及应用开拓了全新的技术方法，应
用前景广阔。
关键词： 皮秒激光；微纳双重结构；超疏水；功能性微结构表面
中图分类号： TG506． 9
文献标志码： A
Superhydrophobic Functional Surface Processing with Ultra － short Laser Pulses
（ d） 能流密度 0． 17J / cm2 ， 静态接触角 158°
研究［J］． 仪表技术与传感器，2006（1） ：8-10． ［5］Aranzazu C，Eduard A． Fabrication approaches for generating
complex micro- and nanopatterns on polymeric surfaces［J］． Chemical Ｒeviews，2008，108（3） ： 911-945． ［6］Brinksmeier E，Preuss W，Schmutz J． Manufacturing of microstructures by diamond machining in progress in precision engineering and nano- technology［C］． Proceedings of 9th International Proceeding Engineering Seminar， Braunschweig，1997： 503-507． ［7］袁巨龙，王志伟，文东辉，等． 超精密加工现状综述［J］． 机械工程学报，2007，43（1） ：35-48． ［8］孙晓慧，周常河． 飞秒激光加工最新进展［J］． 激光与光 电子学进展，2004，41（9） ：37-45． 第一作者：姜 涛，北 京 星 航 机 电 装 备 有 限 公 司 技 术 中 心，100074 北京市
在材料表面构造微结构引起了其在工业和科研 领域的又一研究热潮，如具有微纳双重结构的表面 可以具备超疏水功能特性［1 － 3］，从而拥有良好的自 清洁［1，2］、控制细胞生长［4］、储存太阳能［5］等一系列 广泛的应用。
表面构造微结构就是在不损伤材料基体特性的 前提下，使其具备全新的功能。目前，已有多种方法 可对材料 表 面 进 行 加 工 处 理，如 化 学 刻 蚀［6］、电 化 学沉积［7］、物理 / 化学气相沉积［8］、机械方法和激光 处理［5，9 － 11］等。机械加工方法主要以获得低的表面 粗糙度、高的尺寸和形状精度为目的，而表面功能结
［2］Blossey Ｒ． Self-cleaning surfaces-virtual realities［J］． Nature Materials，2003，2（5） ： 301-306．
Keywords： picosecond laser；hierarchical structures；superhydrophobic；functional surface
1 引言
表面功能结构是近 30 年发展起来的新兴多学科 交叉研究领域，已成为国内外研究热点。生产的迅速 发展及其技术竞争使表面功能结构技术日益提高，并 已成为航空航天、国防、微电子、生物材料、汽车等高 技术领域进一步提高设备和产品性能的关键。
Jiang Tao，Yang Hongqing，Dong Zhiwei，Pan Xigang，Zhao Qingliang
Abstract： Fabricating typical micro structures have become one of the hottest issues in the manufacturing industry， especially efficient processing of specific functional micro structure surfaces． In this study，high repetition rate picosecond laser pulses are used to form hierarchical structures in air for the development of superhydrophobic surfaces． The experimental results show that，with a pulse width 8． 1ps，wavelength of 532 nm picosecond laser can micromachining hierarchical structures with superhydrophobic functionality without any post － treatment，which static contact angle is 158°，as well as sliding angle is less than 5°． This approach demonstrates a new low － cost，high － efficiency processing functional surfaces with picosecond laser．