[发明专利]利用飞秒激光在钛表面加工纳米凸起结构的系统及方法

说明书

本发明属于飞秒激光加工技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光在钛表面加工纳米凸起结构的系统及方法。本发明利用飞秒激光在纳米级结构附近的近场增强和钛的局部氧化得到二氧化钛纳米锥，进而通过控制激光偏振和钛片运动，在钛片表面加工图案化的二氧化钛纳米结构。本方法确定了飞秒激光的重复频率、能量通量，线偏振飞秒激光垂直入射到钛片表面时，得到二氧化钛纳米凸起结构，能量过低或加工时间过短无法实现钛的氧化，而能量过高或加工时间过长将会造成材料烧蚀。与已有的二氧化钛纳米材料制备方法相比，本方法具有高精度、高灵活性优点，可实现纳米级图案化二氧化钛的制备，利用了钛的局部氧化并结合近场增强，得到了二氧化钛纳米凸起结构。

技术领域

本发明属于飞秒激光加工技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光在钛表面加工纳米凸起结构的系统及方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)是一种多功能材料，具有独特的光学、电学及物理性质，随着纳米科技的发展，二氧化钛纳米材料已被广泛应用于半导体、传感器、介电材料等领域。目前，人们普遍以偏酸钛、四氯化钛为前驱体，通过焙烧或气相氧化等方法获得二氧化钛纳米颗粒或通过阳极氧化法在钛表面生长二氧化钛纳米管阵列，但上述方法只能获得随机分布的纳米颗粒或铺满整个钛片的二氧化钛纳米管阵列。近年来，图案化二氧化钛纳米凸起结构因在显示、信息隐写等领域的应用潜力而受到人们的关注，但传统方法无法直接得到图案化的二氧化钛纳米凸起结构。

飞秒激光是一种具有广泛应用前景的微纳加工方法，几乎可以对所有材料表面进行高精度的烧蚀加工。CN111168232A报道了一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，但该方法只能用于材料去除，是在材料表面烧蚀加工出凹槽结构，目前尚缺乏一种直接在钛表面加工纳米凸起结构的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用飞秒激光在钛表面加工纳米凸起结构的系统及方法，利用飞秒激光在纳米级结构附近的近场增强和钛的局部氧化得到二氧化钛纳米锥，进而通过控制激光偏振和钛片运动，在钛片表面加工图案化的二氧化钛纳米结构，以解决传统方法无法在钛表面直接加工二氧化钛纳米结构的技术难题。

本发明提出的利用飞秒激光在钛表面加工纳米凸起结构的系统，包括飞秒激光器、电控快门、电控半波片、电控中性密度衰减片、超快激光反射镜和高倍物镜、钛片、二维平移台、六自由度平移台、半透半反镜、照明光源、成像透镜、相机及计算机，待加工钛片置于所述的二维平移台上；所述的照明光源发出的白光依次通过半透半反镜、超快激光反射镜和高倍物镜后照射到待加工的钛片表面，构成照明系统；所述的钛片表面反射的照明光依次通过高倍物镜、超快激光反射镜、半透半反镜和成像透镜后照射到相机上，最终通过数据线成像到计算机的显示器上，构成成像系统；所述的高重频飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲序列依次经过电控快门、电控半波片、电控中性密度衰减片、超快激光反射镜和高倍物镜后聚焦到钛片表面，构成加工光路；所述的加工光路、照明系统在经过超快激光反射镜后重合，成像系统与照明系统在钛片与半透半反镜之间重合；所述的计算机通过数据线分别与电控快门、电控半波片、电控中性密度衰减片、二维平移台、六自由度平移台和相机连接。

本发明提出的利用飞秒激光在钛表面加工纳米凸起结构的方法，包括以下步骤：