一种飞秒激光加工多彩结构色的方法、加工系统及采集系统

1.一种飞秒激光加工多彩结构色的加工系统，其特征在于：该加工系统包括激光器光源(1)、第一光阑(2)、光学参量放大器(3)、第二光阑(4)、第一反射镜(5)、1/2波片(6)、棱镜(7)、1/4波片(8)、光闸(9)、光束质量分析仪(10)、第二反射镜(11)、第三反射镜(12)、第四反射镜(13)、第五反射镜(14)、相位板(15)、半透半反镜片(16)、能量计(17)、聚焦镜(18)、精密移动平台(20)和CCD相机(21)；
激光光源(1)发出的激光束通过第一光阑(2)后再经过光学参量放大器(3)的调制作用形成需要的波长的激光束；该激光束通过第二光阑(4)后经第一反射镜(5)反射后经过1/2波片(6)和棱镜(7)，及1/4波片(8)的调制形成特定的偏振态的偏振光；偏振光经过光闸(9)、光束质量分析仪(10)、第二反射镜(11)、第三反射镜(12)、第四反射镜(13)、第五反射镜(14)、半透半反镜片(16)、能量计(17)的调制作用和经过相位板(15)调制成焦点沿轴向成长线的光束，经过聚焦镜(18)的会聚作用聚焦到放置于精密移动平台(20)上的样品表面；
光学参量放大器(3)用于将中心波长为800nm的光束调制形成260-2600nm的光束，1/2波片(6)和棱镜(7)用于控制光束的能量和偏振态，1/4波片(8)用于将线偏振的光束调制成圆偏振光或椭圆偏振光，相位板(15)用于将激光束聚焦成线型焦点，精密移动平台(20)用于定位和移动样品，CCD相机(21)用于监控加工过程和检测加工结果，通过调制光束的波长、脉冲能量、脉冲数量、偏振态，控制激光束的光场分布，从而在材料表面形成多种尺度、多种类型的微纳米结构，形成多种结构色；
还包括采集系统，该采集系统主要由旋转平台(27)、照明光源(25)、光谱仪(24)、光学数码相机(23)和计算机(28)构成，旋转平台(27)用来放置和固定样品，并用于对样品在坐标系统内旋转，照明光源(25)用于提供白色光源，光谱仪(24)用于测量衍射光的光谱，光学数码相机(23)用于对结构色进行图像采集，计算机(28)用于对特定材料在特定激光参数下形成的特定的颜色进行采集和分类，形成结构色的数据库。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工多彩结构色的加工系统，其特征在于：相位板可以为Bessel相位板，也可以为其他相位板。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工多彩结构色的加工系统，其特征在于：材料表面可以为平面，也可以为曲面。

一种飞秒激光加工多彩结构色的方法、加工系统及采集系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于微细加工技术领域，特别涉及一种飞秒激光加工多彩结构色的方法、加工系统及采集系统。\n背景技术\n[0002] 飞秒激光加工技术作为一种前沿技术，在微纳米制造领域展现出诸多优势，飞秒激光可以在多种材料表面一次成型出亚毫米、微米和纳米的多级结构，快速并且可大面积加工。飞秒激光在材料表面加工出微纳米结构，这种结构在材料表面对入射光产生衍射，散射和反射效应形成了彩色效果，称之为结构色。与传统的化学式相比，激光结构色具有无需涂覆、无污染、不褪色等优点。飞秒激光技术将会成为结构色生产的一种非常重要加工手段。\n[0003] 在飞秒激光加工结构色的过程中，通过控制激光的脉冲能量、扫描速率等在材料表面诱导形成亚波长的周期条纹结构，根据光在材料表面的衍射产生了彩虹般的结构色，这是目前形成的主要的结构色。通过调整激光的线偏振方向，产生不同方向的周期条纹产生依赖于观察角的结构色，实现结构色的多样化制备，所以对结构色加工的可设计性很强，能够应用的潜在领域也非常广泛。然而结构色的加工有一些瓶颈需要克服。首先，在材料表面加工的结构色是依赖观察角度的彩虹色，做出单一颜色的结构色依然是个挑战，解决纯色的加工问题，结构色的多彩技术将会更加完善。其次，结构色的加工缺乏颜色与飞秒激光加工参数对应的数据库，这阻碍了结构色应用于工业化的脚步。再者，飞秒激光加工方式现局限在平面加工，曲面的加工方式还需要探索。最后，结构色的直接加工效率较低，能够实现结构色的转印将大大提高生产效率。这些问题是对结构色加工提出的挑战，同时也扩展了结构色加工的进步空间。\n发明内容\n[0004] 针对飞秒激光微纳米彩色技术面临的困境，本发明提出了一种表面上多彩的结构色的制备方法，在线偏振激光诱导自组装周期结构的基础上，通过引入线偏振和圆偏振器件，及Bessel相位板来精确调控光束的偏振态和在轴向的聚焦深度，从而产生多种偏振和不同聚焦深度的激光束，实现在曲面上制备多种结构符合的微纳米结构，从而形成多色的结构色。并将这种结构色设计和制备在质硬的材料表面，通过转印的方法复制到其他材料表面。本发明为结构色的大面积批量化制备提供了有效的途径。\n[0005] 本发明采用的技术方案为：一种飞秒激光加工多彩结构色的方法，其特征在于：在激光加工系统中引入光学参量放大器，能量控制器，多偏振器件，对激光束进行调制，从而实现在材料表面形成多种尺度、多种类型的周期阵列结构及多种结构的组合，建立各种颜色在不同材料上的形成参数数据库。将标准彩色图案进行分解和提取图案中的颜色要素，从数据库中查找参数在特定材料表面加工。\n[0006] 本发明提供一种飞秒激光加工多彩结构色的加工系统。该系统包括激光器光源、第一光阑、光学参量放大器、第二光阑、第一反射镜、1/2波片、棱镜、1/4波片、光闸、光束质量分析仪、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、相位板、半透半反镜片、能量计、聚焦镜、移动台和CCD相机；\n[0007] 激光光源发出的激光束通过第一光阑后再经过光学参量放大器的调制作用形成需要的波长的激光束；该激光束通过第二光阑后经第一反射镜反射后经过1/2波片和棱镜，及1/4波片的调制形成特定的偏振态的偏振光；偏振光经过光闸、光束质量分析仪、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、半透半反镜片、能量计的调制作用和经过相位板调制成焦点沿轴向成长线的光束，经过聚焦镜的会聚作用聚焦到放置于精密移动平台上的样品表面；\n[0008] 光学参量放大器用于将中心波长为800nm的光束调制形成260-2600nm的光束。1/2波片和棱镜用于控制光束的能量和偏振态。1/4波片用于将线偏振的光束调制成圆偏振光或椭圆偏振光。相位板用于将激光束聚焦成线型焦点。精密移动平台用于定位和移动样品。\nCCD相机用于监控加工过程和检测加工结果。通过调制光束的波长、脉冲能量、脉冲数量、偏振态，控制激光束的光场分布，从而在材料表面形成多种尺度、多种类型的微纳米结构，形成多种结构色。\n[0009] 其中，相位板可以为Bessel相位板，也可以为其他相位板。\n[0010] 其中，材料表面可以为平面，也可以为曲面。\n[0011] 本发明提供一种飞秒激光加工多彩结构色的采集系统。该系统主要由旋转平台、照明光源、光谱仪、光学相机和采集软件构成。旋转平台用来放置和固定样品，并用于对样品在坐标系统内旋转。照明光源用于提供白色光源。光谱仪用于测量衍射光的光谱。光学相机用于对结构色进行图像采集。采集软件用于对特定材料在特定激光参数下形成的特定的颜色进行采集和分类，形成结构色的数据库。\n[0012] 本发明的优点和积极效果为：\n[0013] (1)本发明通过对飞秒激光参量的调制，可以最终实现在多种材料表面诱导多种微纳米结构，形成多色的结构色。\n[0014] (2)本发明提出的结构色的加工和采集系统的建立，有利于标准化工业生产的需求。\n[0015] (3)本发明提出的加工方法可以在曲面上制备彩色图案和浮雕，满足多种工业需求。\n附图说明\n[0016] 图1是飞秒激光在材料表面制备结构色的加工系统示意图。\n[0017] 图2是飞秒激光制备的多彩结构色图案。\n[0018] 图3是多种结构色的采集系统图。\n[0019] 图1中：\n[0020] 1激光器光源      2第一光阑\n[0021] 3光学参量放大器  4第二光阑\n[0022] 5第一反射镜      6半波片\n[0023] 7棱镜            8 1/4波片\n[0024] 9光闸            10光束质量分析仪\n[0025] 11第二反射镜     12第三反射镜\n[0026] 13第四反射镜     14第五反射镜\n[0027] 15相位板         16半透半反镜\n[0028] 17能量计         18聚焦镜\n[0029] 19样品           20精密移动平台\n[0030] 21 CCD相机       22计算机\n[0031] 图3中：\n[0032] 23光学数码相机   24光谱仪\n[0033] 25照明光源       26样品\n[0034] 27旋转平台       28计算机\n具体实施方式\n[0035] 下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例，本领域的技术人员也容易根据下面的实例想到其他类似的实施例。\n[0036] 实施例1：\n[0037] 多色的激光微纳米结构的加工系统包含激光器光源1、第一、二光阑2、4、光学参量放大器3、第一、二、三、四、五反射镜5、11、12、13、14、半波片6、棱镜7、1/4波片8、光闸9、光束质量分析仪10、相位板15、半透半反镜16、能量计17、聚焦镜18、移动平台20、CCD相机21、计算机22，如图1所示。其中光学参量放大器用于将中心波长为800nm的光束调制形成260-\n2600nm的光束；1/2波片和棱镜用于控制光束的能量和偏振态；1/4波片用于将线偏振的光束调制成圆偏振光或椭圆偏振光；相位板用于将激光束聚焦成线型焦点；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果。激光光源1发出的激光束经过光学参量放大器3的调制作用形成需要的波长的激光束；经过1/2波片6和棱镜7，及1/4波片8的调制形成特定的偏振态；经过相位板15调制成焦点沿轴向成长线的光束，经过聚焦镜18的会聚作用聚焦到放置于移动平台20的样品19表面；通过计算机22的控制作用实现对精密移动平台20的移动控制和CCD相机21对加工过程的监控。。根据选取的不同材料以及不同的图案，分别对上述的偏振态、脉冲能量等组合，可以在材料表面加工形成多彩的图案(图2)。具体的，激光束在光束质量分析仪10的辅助下进行整形后得到理想的光斑；经过整形的激光束通过第二反射镜11、第三反射镜12、第四反射镜13、第五反射镜14、相位板15、半透半反镜片16、能量计17的调制作用后经聚焦镜18会聚作用聚焦在样品表面。\n[0038] 实施例2：\n[0039] 利用实施例1在不同材料上制备出多种颜色的微纳米结构，建立一种多种结构色的采集系统。该系统主要由光学相机23、光谱仪24、照明光源25、旋转平台27和计算机28组成。照明光源23将放置于旋转平台上27的样品26照亮。由于样品表面微纳米结构的衍射和反射作用产生的结构色，被光学相机23和光谱仪24记录下来。通过在0～180°范围内变换光学相机23、光谱仪24、照明光源25、旋转平台27与坐标系统中Z轴的夹角确定结构色光谱的变化，从而建立结构色的采集系统(图3)。\n[0040] 本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。\n[0041] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。