1、PDF外文：http:/ 中文 3640 字 出处： Applied Physics A, 2010, 99(4): 691-695 在聚丙烯上通过短脉冲激光结构模具的复制模具快速制造超疏水性表面 作者 J. Bekesi J.J.J. Kaakkunen W. Michaeli F. Klaiber M. Schoengart J. Ihlemann P. Simon 收稿日期： 2010年 4月 12日 /接受日期： 2010年 4月 16日 /网上发布时间： 2010年 5月 7日 德国 施普林格出版社 2010 摘要 一种通过
2、并行激光加工，随后通过注射成型产生复制品来加快超疏水表面结构的快速生成的方法被 发表 出来。在 一个激光能量分布为 25 25的点阵 施加自制熔融二氧化硅类衍射光学元件（ DOE），对 此光学元件 施加短脉冲紫外激光脉冲，用作金属模具表面烧蚀透射掩模。在随后的工艺步骤中， 由 变温 注射成型制造处理后的 特征 复制品，从而大量生产塑料部件表面 形状 ， 所得形貌便于制造组件的超防水行为。 1 引言 微米和纳米结构的表面产生了各种新的功能，包括超防水行为， 一定的 摩 擦性能， 场的扩增 能力等。众多新兴应用都有很大的潜力，这些应用产生对持续快速增长 ，简单，灵活 ，经济
3、的 制造技术的需求。 激光 烧蚀是在种类繁多的材料上制造微米或更小的表面结构非常适合的方法。 特别 的是 ， 在微米级或更小的高导热性的材料上 生成特征尺寸 可能需要使用特殊的激光系统 ， 在这种情况下，施加皮秒级或更短的脉冲持续时间的 短激光脉冲是必要的， 因为 施加短波辐射确保了进一步提高空间分辨率。 从可达的最大处理速度来看，相比于点顺序方式，并行处理技术具有明显的优势。这 代表在大多数工业应用中的一个关键问题。 焦 点扫描提供了以极大的灵活性创建任意结构的能力，但 只 有有限的处理速度， 尤其 是 对于周期性结构的产生。干涉技术或掩膜投影技术利用适量脉冲可以显著加速周期性结
4、构的产生，同时创造了大量的新功能。然而，为了获得 能 轻易超过被烧蚀过材料的损伤阈值 的 能量密度，非常高的脉冲能量或总透射率非常高的光学装置的是必需的。提高 激光系统的能量通常是非常昂贵的， 一个更有利的方式是减小所述光束传递系统的损耗。在这点上，所施加光学 元件的透射效率就变得非常重要 ， 因为撞击掩模高度反射性部分的光子不能用于烧蚀过程，所以 振幅掩模通常具有相对低的传输 效率 。 因此衍射相位掩模通常用于有效的掩模照明，其不影响振幅，但影响光的相位。在传输中的当前元素的相移功能由光程长度的横向变化实施，例如材料的几何厚度变化。这些元素常用于可见光和红外光谱范围内。施加激光脉冲，在短波范
5、围内需要应用在紫外线中具有高传输性的掩模材料（例如熔融二氧化硅，氟化钙，氟化镁）。这种光学元件的快速，廉价，且灵活的制造也可以通过施加常规激光的加工方法来实现。然而，此种材料特别低的紫外 线吸收率，使通过激光烧蚀的掩模制造相当复杂。这些困难可以通过对基于熔融二氧化硅基板的硅的低氧化物层（ SiOx）施加紫外激光形成背面 特征 的制造方法来克服，并随后将其氧化，从而产生紫外线优级的表面起伏 元件 。所施加的低氧化物层具有高的紫外线吸收率，使消融过程容易。基板和层之间精确清晰的接口允许消融技术精确的深度控制，以及完美的光学表面质量。背面消融确保去除完整的 SiOx 层，而不会损坏高度透明的二氧化硅
6、基板，创建具有完美的光学质量流畅的消融功能。此外因为烧蚀特征的高度可通过该层的厚度定义，所以必要生成非常有效 的 相位元素方式的深度控制非常准确。 在本文中，我们提出了一种用紫外短脉冲激光烧蚀以生成样品表面上聚焦 斑点 的二维 阵列 的光学装置。该光学装置是以一个自制纯相位衍射光学元件（ DOE）为根据的。该元件为 在熔融二氧化硅 上 ，经 193nm 波长 照射 下的 硅低氧化物层 的纳秒 背 侧消融生成的。 所设计的 2 级 DOE 在光学装置的傅立叶平面中产生 25 25 点，成像到样品表面 ， 这一设计使金属模具 纹理化。 它们可以通过注射成型 复制 ，用各种各样的塑料原料
7、生成 特征纹理 的互补结构。所使用的材料 ， 所 应用 的 纹理 和复制 品 的适当组合，允 许生成超疏水表面特性。各种类型的聚丙烯材料 已经被 成功地 研究 ，并 制成 了 超疏水表面。 2 掩模 制作 一个迭代傅立叶变换算法（ IFTA）被用于设计相位掩模，这是一个在光轴上以一个 25 25 点阵 形式产生期望的没有任何偏移量 的 强度分布 的2 级相位元件 。 虽然在该设计中，从 1 阶模式的分离 0 阶 是不可能的 ， 由于其较高 效率 它仍然有利于某些特定的应用程序。 因为 点对称的结构（如一个 N N 点阵）的第一阶光束可以重叠 ，相比离轴设计有效地增加 一
8、倍效率。 另外， 在本例 中， 第 0 阶光束被聚焦在该元件的傅立叶平面，并与中心点一致（如果施加 奇数 个 点 ）。 该掩模被设计成由 367 367 个像素，具有 27 微米的像素大小，得到大约 10mm 10mm 的全孔径。 对于 DOE的加工，我们使用了商业化准分子激光器提供纳秒紫外激光 ， 脉冲 出 波长为 193nm 的光 。为了 产生所需 的 相位 ，像素 通过 成像 在 石英 背面 上的 正方形孔 烧蚀 SiOx 层 。 随后在退火过程中 SiOx 层转化成二氧化硅，掩模 在大气 环境下 加热 8 小时以上高达 1000。在此过程中所述的 SiOx 层得到和分 散二氧化硅相同的
9、透明 度 ， 确保 了 掩模 的 高传输 性 。为了检查 DOE 的性能，我们使用波长在 248nm 的 飞秒 紫外线 脉冲， 也为了稍后 孔矩阵的生成。 一 个 荧光体板被放置在傅立叶平面 且 通过产生的点阵照明 ，以观察所生成的强度分布。这个图形 被成像到 CCD 照相机 ， 用光束分析软件记录。这 个图像展示于图 1A。图 1B 是 中间线（含 0 阶光束）强度分布的垂直截面 ， 展示了均匀性和掩模的第 0 级 抑制。第 0 级抑制 对 我们的 应用来说 是令人满意的 ；峰值与第 0 级的重叠比平均峰高度高 50左 右 ， 测量 DOE 的效率约为 61，与 72的理论计算值基本一致 。用于比较， 相似振幅掩模将有 11的最大透射 。
