1 引言

微加工技术在航天工业、汽车、医疗器械和消费电子等领域具有广泛应用。与传统的化学腐蚀、机械、电子束熔融等微加工技术相比,超快激光微加工具有加工精度高、加工材料广泛、无热效应以及低能耗等优势^[1]。超快激光是一种通过锁模技术产生、持续时间在皮秒和飞秒量级的脉冲激光^[2],具有超高的峰值功率。近十几年来,通过飞秒激光微加工技术在材料表面直接制备周期性微结构被认为是极具潜力的研究方向之一^[3]。钛金属具有密度低、耐腐蚀性和耐高温性良好、强度高以及化学性质稳定等特点,已被广泛应用于工业、航空、医疗器械等领域^[4]。表面具有周期性微结构的钛金属可作为良好的生物薄膜、耐磨材料、疏水性材料和抗反射材料等,其使用性能与微结构形貌密切相关^[5]。

使用飞秒激光可以在多种材料表面制备周期性微结构,如金刚石^[6]、石英玻璃^[7]、陶瓷^[8]等非金属材料,Si^[9]、SiC^[10]等半导体材料,以及各种金属材料^[11-14]。具有不同形貌的表面微结构可以改变材料的亲、疏水性^[11],增强材料的抗腐蚀性能^[12],减小材料表面的摩擦力^[13],并可使材料具有丰富的颜色效应^[14]等,在多个领域极具应用潜力。Moradi等^[15]采用波长为800 nm、平均功率为2 W的飞秒激光在不锈钢表面制备得到了具有微纳复合结构的超疏水表面。Jiang等^[16]同样采用波长为800 nm、平均功率为2 W的飞秒激光在钨表面制备出了表面覆盖纳米条纹的周期性圆锥形凸起微结构,该结构可作为高温固态压印工艺的模具。Vorobyev等^[17]采用波长为800 nm、平均功率为1 W的飞秒激光在钛表面制备出了被纳米结构覆盖的周期为120 μm的凹槽,显著降低了钛的表面反射率。Wu等^[18]使用波长为800 nm的飞秒激光,在钛箔上直接制备出微孔阵列结构,使得该结构具有超亲水性和水下超疏油性,该结构已成功应用于油水混合物的分离过程。

目前,研究人员主要采用长波长红外飞秒激光器在金属材料表面诱导微结构。随着科技的不断发展,更短波长、更高功率的飞秒激光器逐渐被研制出来。短波长激光可以提供更高的单光子能量,有利于提高金属材料对激光能量的吸收。高功率和高重复频率配合短波长激光有望大幅提升加工效率,实现工业化大规模生产。

本文采用功率为75 W、波长为515 nm的高功率绿光飞秒激光器在空气中诱导钛表面微结构,研究了钛表面绿光飞秒激光烧蚀阈值、能量密度、扫描次数、扫描速度、扫描间距对钛表面周期性微结构形成的影响规律。

2 实验设备与方法

选用厚度为250 μm、纯度为99.99%的纯钛箔进行实验,激光处理前先用去离子水、乙醇、丙酮溶液依次对样品超声清洗10 min,吹干后待用。选用的激光器为Trumpf-5000型绿光飞秒激光器,脉宽为800 fs,重复频率为600 kHz,最大平均输出功率为75 W,波长为515 nm。激光器出光后,光被导入到IS_se14型高速振镜系统,然后通过焦距为255 mm的聚焦镜入射到待加工材料的表面。采用DUMA光束分析仪测得聚焦光斑的直径为50 μm。图1为飞秒激光加工实验装置示意图。实验中使用吸尘器去除加工过程产生的飞溅物。

图 1. 飞秒激光诱导钛表面微结构的加工示意图

Fig. 1. Schematic of generation of periodic microstructures on surface of Ti induced by femtosecond laser

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首先通过线扫描的方式研究钛箔的烧蚀阈值,然后采用90°交叉面扫描(水平扫描一次,旋转90°后以相同参数再扫描一次)的方式研究激光烧蚀微结构演变规律,所有实验均在大气条件下进行。利用HITACHI S-3400N扫描电子显微镜(SEM)和OLYMPUS OLS5100激光共聚焦显微镜(LSCM)观察钛表面的微观形貌。

3 结果与分析

3.1 钛表面绿光飞秒激光的烧蚀阈值

材料表面出现永久性可探测损伤的最低激光能量密度(F)被称为激光烧蚀阈值,影响材料表面烧蚀阈值的因素主要包括材料的自身特性、激光参数和有效脉冲数^[19-21]。线扫描单位点有效脉冲数N_e的计算公式为^[22]

Ne=2ω0fv,(1)

式中:ω₀为光斑半径;f为重复频率;v为扫描速度。当光斑半径和重复频率不变时,通过改变扫描速度可以获得不同的线扫描的有效脉冲数N_e。

当有效脉冲数N_e=40时(即扫描速度v=750 mm/s),不同激光能量密度下钛箔表面的烧蚀形貌如图2所示。当激光能量密度F≤6.78 J/cm²时,钛箔表面可见清晰的烧蚀痕迹;随着激光能量密度的增加,烧蚀区的线宽逐渐增大;当6.78 J/cm²<F ≤9.04 J/cm²时,在光斑中心区域出现了V形的烧蚀微槽,微槽深度随激光能量密度的增大而增加;当激光能量密度F>9.04 J/cm²时,烧蚀微槽加深且变宽,边缘出现颗粒状团聚物,三维形貌转变为U形,此时在激光作用区域材料发生了熔化,光斑中心出现烧蚀通道,材料熔化后小液滴受等离子体冲击向两侧飞溅,然后凝固,团聚为不规则的颗粒^[22]。

图 2. 单位点有效脉冲数为40时,不同激光能量密度下钛箔表面的烧蚀形貌。(a) 11.30 J·cm-1;(b) 10.17 J·cm-1;(c) 9.04 J·cm-1;(d) 7.91 J·cm-1;(e) 6.78 J·cm-1;(f) 5.65 J·cm-1;(g) 3.39 J·cm-1;(h) 1.13 J·cm-1;(i) 0.68 J·cm-1;(j) 0.23 J·cm-1

Fig. 2. SEM images of microstructures on surface of Ti under line-scanning at different laser fluences when effective-pulse number per unit point is 40. (a) 11.30 J·cm-1; (b) 10.17 J·cm-1; (c) 9.04 J·cm-1; (d) 7.91 J·cm-1; (e) 6.78 J·cm-1; (f) 5.65 J·cm-1; (g) 3.39 J·cm-1; (h) 1.13 J·cm-1; (i) 0.68 J·cm-1; (j) 0.23 J·cm-1

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当激光能量密度较低时,烧蚀线宽与激光能量密度的关系为^[22]

D2=2ω02lnF0F(N),(2)

F0=2Pπω02f,(3)

式中:D为烧蚀区的线宽;F₀为焦点处的峰值能量密度;F(N)为N个有效脉冲下飞秒激光的烧蚀阈值;P为激光功率。当激光能量密度较高时,激光束边缘处的光强也达到了烧蚀阈值,导致烧蚀线宽不稳定^[23],所以测试烧蚀阈值时应以低的激光能量密度为准,选取的激光能量密度分别为0.23,0.45,0.68,0.90,1.13 J/cm²。表1列出了扫描速度及对应单位点的有效脉冲数。

结合上述公式可以拟合出激光能量密度与烧蚀宽度的关系曲线,结果如图3所示,可得到515 nm飞秒激光对钛的烧蚀阈值分别为34 mJ/cm²(N_e=100)、120 mJ/cm²(N_e=40)、182 mJ/cm²(N_e=10)。可以看出,随着有效脉冲数的增加,烧蚀阈值降低,这一规律与文献[ 24]的结果一致^[24]。

Nathala等^[25]测得了800 nm飞秒激光有效脉冲数为220时,钛的烧蚀阈值为30~45 mJ/cm²。本文研究结果表明绿光飞秒激光有效脉冲数为100时,钛箔的烧蚀阈值为34 mJ/cm²,与800 nm飞秒激光有效脉冲数为220时钛的烧蚀阈值相当。以上结果表明,钛对短波长激光的吸收率更高,故采用绿光飞秒激光能更有效地对钛进行烧蚀加工。

图 3. 单位点有效脉冲数为10、40、100时,烧蚀区线宽度的平方与激光能量密度的拟合曲线

Fig. 3. Squared width of ablated zone as a function of laser fluence when effective-pulse numbers per unit point are 10, 40, and 100, respectively

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3.2 工艺参数对表面微结构形貌的影响规律

3.2.1 表面微结构随扫描次数的变化规律

在激光能量密度为1.13 J/cm²、扫描速度为2000 mm/s、扫描间距为20 μm的条件下,钛箔表面形貌随扫描次数的演化规律如图4所示。扫描1次时,材料表面出现纳米条纹结构,如图4(a)所示,这主要是入射光与表面电磁波相互干涉形成的^[26-27]。纳米条纹结构的出现改变了材料的表面粗糙度,会影响后续激光作用时的能量吸收。非均匀吸收的激光能量会导致材料表面部分区域迅速熔化,在表面张力下发生受迫流动,产生表面毛细波^[28]。随着扫描次数的增加,激光能量的沉积增加,毛细波发生紊乱,然后凝固为不均匀分布的驼峰状凸起^[29]。继续增加扫描次数,驼峰结构数量增多,分布逐渐趋于均匀,单个驼峰结构的尺寸增大,如图4(c)~(e)所示。扫描20次后,驼峰结构汇聚,转变为柱状阵列结构,均匀地覆盖在材料表面,如图4(f)~(h)所示。从图5可以看出:当扫描次数小于10次时,不均匀分布的驼峰结构的高度随扫描次数的增加而增大;当扫描次数达到20次后,柱状阵列结构的高度随着扫描次数的增加趋于稳定,约为20 μm。

图 4. 激光能量密度为1.13 J/cm2时,不同扫描次数诱导后,钛箔表面微结构的SEM形貌。 (a) 1;(b) 2;(c)4;(d) 8;(e) 10;(f) 20;(g) 40;(h) 80

Fig. 4. SEM images of microstructures on surface of Ti induced by different scanning times when laser fluence is 1.13 J/cm2. (a) 1; (b) 2; (c) 4; (d) 8; (e) 10; (f) 20; (g) 40; (g) 80

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图 5. 能量密度为1.13 J/cm2时,钛箔表面微结构高度差随扫描次数的变化

Fig. 5. Height of femtosecond laser-induced microstructure on surface of Ti as a function of scanning time, when laser fluence is 1.13 J/cm2

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3.2.2 能量密度对表面微结构的影响规律

图6、图7分别为能量密度为5.65 J/cm²和10.17 J/cm²时,钛箔表面微结构随扫描次数的演化规律(扫描速度为2000 mm/s,扫描间距为20 μm)。可以看出,激光能量密度为5.65 J/cm²时,钛表面微结构的演变与激光能量密度为1.13 J/cm²时的结构演变类似,经历了纳米条纹结构→不均匀驼峰结构→均匀柱状结构的变化。此外,柱状结构尺寸显著增加。

当激光能量密度为10.17 J/cm²时,钛箔表面微结构随扫描次数的演化规律如图7所示:经历了鱼鳞状结构→丘陵状结构的转变。由图2可知,当激光能量密度大于9.04 J/cm²时,钛箔发生了明显的熔化-凝固现象。因此,在10.17 J/cm²的激光能量密度作用下,随着扫描次数增加,表面的熔化材料发生流动,填充鱼鳞状结构间隙的凹坑,形成丘陵状微结构。LSCM结果显示:扫描2次时,表面微结构的高度差已达到约10 μm,继续增加扫描次数,表面形貌会发生变化,但微结构的高度差基本稳定在10 μm。

图 6. 激光能量密度为5.56 J/cm2时,不同扫描次数诱导后,钛箔表面微结构的SEM形貌。(a) 1;(b) 5;(c) 8;(d) 10;(e) 20;(f) 40

Fig. 6. SEM images of microstructures on surface of Ti induced by different scanning times when laser fluence is 5.56 J/cm2. (a) 1; (b) 5; (c) 8; (d) 10; (e) 20; (f) 40

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图 7. 当激光能量密度为10.17 J/cm2时,不同扫描次数诱导后,钛箔表面微结构的SEM形貌。(a) 1;(b) 5;(c) 10;(d) 20

Fig. 7. SEM images of microstructures on surface of Ti induced by different scanning times when laser fluence is 10.17 J/cm2. (a) 1; (b) 5; (c) 10; (d) 20

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3.2.3 扫描速度对表面微结构的影响规律

图8为扫描间距为20 μm时,以2000,3500,5000 mm/s三种不同扫描速度90°交叉扫描20次后钛箔表面微结构的SEM图,激光能量密度分别为3.39 J/cm²和7.91 J/cm²。当激光能量密度为3.39 J/cm²时,在2000 mm/s扫描速度下,钛箔表面能够得到均匀分布的珊瑚状凸起结构;增加扫描速度到3500 mm/s和5000 mm/s(其他参数不变),本质上是降低了沿激光扫描方向的光斑重叠率,所以加工区域的激光能量注入不均匀,得到的微结构分布也不均匀。增加能量密度到7.91 J/cm²后,可以看到,扫描速度增加到5000 mm/s时在钛表面仍然可形成均匀分布的微结构,这主要源于激光能量呈高斯分布的特性。图8(a)为高斯光束能量密度分布示意图,当激光能量密度较低时,只有光斑中心的能量密度可以达到材料的烧蚀阈值;随着激光能量密度增加,能够达到烧蚀阈值的光斑直径增大,激光对作用区域覆盖得更均匀。图8(b)为沿同一方向扫描时不同扫描速度和激光能量密度下的光斑重叠示意图。

图 8. 扫描间距为20 μm时,不同扫描速度和激光能量密度下诱导钛箔表面微结构的SEM形貌

Fig. 8. SEM images of microstructures on surface of Ti at different scanning speeds and different laser fluences when scanning pitch is 20 μm

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图 9. 高斯光束能量密度分布示意图以及光斑重叠示意图。(a)高斯光束能量密度分布示意图; (b)平行扫描时不同扫描速度和激光能量密度下的光斑重叠示意图

Fig. 9. Effects of laser fluence and scanning speed. (a) Schematic of fluence distribution of Gaussian laser beam; (b) schematic of spot overlapping at different scanning speeds and fluences in parallel scan

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3.2.4 扫描间距对表面微结构的影响规律

扫描间距主要影响相邻扫描光束作用区域的搭接率。固定扫描速度为2000 mm/s,激光能量密度为1.13 J/cm²,观察不同扫描次数下微结构形貌随相邻线扫描间距(10,20,30 μm)的变化,SEM图如图10所示。可见,较小的扫描间距与较多的扫描次数配合能得到类似的表面微结构,说明随着扫描间距的增加,相邻激光束加工区域的搭接率降低,单位面积沉积激光的能量降低,实际生产中可通过合理调节参数来提升加工效率。

图 10. 不同扫描间距和扫描次数下飞秒激光加工后,钛箔表面微结构的SEM图

Fig. 10. SEM images of microstructures on surface of Ti at different scanning pitches and scanning times

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3.2.5 有效脉冲数的影响规律

上述实验中分别通过改变飞秒激光的扫描次数、扫描速度、扫描间距来调节钛箔表面的微结构,本质上来说均是改变了单位点的有效脉冲数。由于实验中的扫描间距L均小于光斑直径,因此推导出的相邻扫描线的搭接率R₀以及垂直于扫描方向的单位点脉冲数N_i分别为

R0=2ω0-L2ω0=1-L2ω0,(4)

Ni=11-1-L2ω0=2ω0L。(5)

此外,实验采用90°交叉扫描的加工方式,扫描次数为n,基于线扫描的有效脉冲数N_e与垂直于扫描方向有效脉冲数N_i,可以得到飞秒激光加工过程中面扫描单位点的有效脉冲数N_m为

Nm=2n·Ne·Ni=2n·2ω0fv·2ω0L=8ω02fnvL。(6)

通过调节激光扫描速度、扫描间距以及扫描次数获得单位点的有效脉冲数N_m分别为1000、1500、2000时的相关实验参数如表2所示。图11所示为激光能量密度为1.13 J/cm²时,不同有效脉冲数N_m下得到的钛箔表面微结构的SEM图。可以看出:当面扫描有效脉冲数一定时,钛箔表面的微结构具有相似的形貌特征;随着有效脉冲数增加,微结构形貌由驼峰状转变为柱状阵列,且径向尺寸逐渐粗化。

图 11. 激光能量密度为1.13 J/cm2,有效脉冲数分别为1000、1500、2000时,钛箔表面微结构的SEM图。(a)~(c) 1000;(d)~(f) 1500;(g)~(i) 2000

Fig. 11. SEM images of microstructures on surface of Ti at different effective-pulse numbers (1000, 1500, and 2000) when laser fluence is 1.13 J/cm2. (a)-(c) 1000; (d)-(f) 1500; (g)-(i) 2000n

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由图12可知,表面微结构随单位点有效脉冲数增加的变化趋势与扫描次数增加、扫描速度降低、扫描间距减小时的变化规律一致。当激光能量密度较低时,随着有效脉冲数增加,不均匀分布的驼峰结构逐渐汇聚,形成柱状阵列凸起结构;当激光能量密度较高时,表面逐渐演化为丘陵状结构。此外,当有效脉冲数N_m=3000,激光能量密度F=1.13 J/cm²时,对应的表面微结构与N_m=1000、F=5.65 J/cm²和N_m=600、F=7.91 J/cm²条件下制备的表面微结构形貌类似,因此实际生产中可以使用高能量密度配合低脉冲数的方法进行加工,提升加工效率。

图 12. 不同激光能量密度、单位点有效脉冲数激光诱导后,钛箔表面微结构的SEM形貌

Fig. 12. SEM images of microstructures on surface of Ti at different laser fluences and effective-pulse numbers

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4 结论

采用高功率515 nm波长绿光飞秒激光在钛箔表面制备周期性微结构,钛的烧蚀阈值较红外激光明显降低。通过改变激光能量密度和有效脉冲数可以调控钛箔表面的微观形貌,高能量密度、低有效脉冲数与低能量密度、高有效脉冲数下的加工结构类似,使用高能量密度、低有效脉冲数可以显著提高微结构的制备效率。