CN107030378A

CN107030378A - 一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法

Info

Publication number: CN107030378A
Application number: CN201710350172.5A
Authority: CN
Inventors: 陶海岩; 宋晓伟; 林景全; 王硕
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2017-08-11

Abstract

本发明提供了一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，属于金属表面功能改性领域。本发明通过在固体基底表面进行飞秒激光聚焦扫描处理的方式，实现处理后的微纳结构表面的微波性能优化。这种方法可以有效的在固体表面实现大面积的、快速的表面微波性能改性。与传统方法相比具有“轻、薄、固”的优势。同时激光加工也具有绿色、环保可自动化生产等诸多优势。

Description

一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法

技术领域

本发明涉及金属表面功能改性领域，特别涉及飞秒激光金属表面微波吸收功能改性的方法。

背景技术

在近年来，随着电子信息技术迅猛发展，各种GHz频段的无线设备种类日益繁多并广泛应用在人们的日常生活当中，给人们带来各种便利。与此同时，这种在大气中隐藏的由电磁波组成的“电子雾”也给人们带来大量的有害辐射，成为了一种新的隐形污染，严重影响了人们的生活健康、或对某些对电磁波反应灵敏的仪器造成干扰。微波吸收材料能够吸收、衰减入射的电磁波，可有效缓解微波辐射带来的危害及干扰。因此，人们主要利用吸波材料来提高电子产品的抗微波辐射干扰能力以及防护电磁污染。目前大部分吸波材料都是由微波吸收剂和高分子粘结剂组成的复合材料，这种材料体积较大且质量重，并且与屏蔽(或防护)对象结合困难，应用过程易发生脱落。不能完全满足先进吸波材料对质量轻、体积薄、结合牢固的需求。若材料表层能通过改性直接实现微波吸收性能改善，则现有吸波材料所存在的一些问题有望能够得到很好的解决。

发明内容

本发明针对以往吸波材料的不足以及金属表面微波镜面反射(几乎全反射)的特点，提出了一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法。通过在金属基底表面进行飞秒激光聚焦扫描处理的方式，实现处理后的微纳结构表面的微波性能优化。这种方法可以在有效的在各种金属表面实现大面积的、快速的表面微波吸收性能改性。

该方法由以下步骤组成：

(1)首先将飞秒激光聚焦入射到金属表面；

(2)通过聚焦激光束在金属表面进行三种线扫描方式：近间距一维线扫描(扫描间距小于聚焦光斑直径)、远间距一维线扫描(扫描间距大于聚焦光斑直径)以及正交线扫描方式。

(3)应用以上三种扫描方式对金属表面的微观形貌处理，实现处理后表面的微波吸收性能的优化以及吸收峰位置的调控。

所述调控微波的吸收波段所采取三种不同的扫描方式具体包括：远间距一维线扫描，具体特征为采用高激光能量密度，并且每条扫描线之间相互平行，间距大于聚焦光斑直径；正交线扫描，具体特征为在一维线扫描基础上，在扫描线垂直方向进行再一次的一维线扫描；近间距一维线扫描，具体特征为采用低激光能量密度，并且每条扫描线之间相互平行，间距小于聚焦光斑直径。

所述的飞秒激光参数选取范围是：中心波长为800nm或400nm，脉宽范围在35fs-1ps，重复频率10Hz-4kHz。

所述聚焦的飞秒激光具体采取的方式为透镜透射聚焦或离轴抛面镜反射聚焦。

所述基底材料为金属材料，如金、银、铁、钼、铝、镍、钛、镁、不锈钢以及它们的合金材料。

本发明的优点在于：

(1)本发明利用飞秒激光对金属表面进行扫描处理，实现金属材料微波吸收功能表面的制备，与传统方法相比具有“轻、薄、固”的优势，同时激光加工也具有绿色、环保可自动化生产等诸多优势；

(2)本发明可以应用金属基底为材料，在表面直接烧灼而成，形成功能表面坚固不易脱落；同时不需要粘合剂、吸波粉等附加耗材，从而既避免了易引入污染的材料使用，从而也降低了生产成本。

(3)本发明可以应用于多种金属基底材料，具有一定的通用性，并且重复性好，易操作。

附图说明

图1飞秒激光制备微波吸收金属表面的加工装置示意图；

图2为不同材料光栅周期结构对微波反射率随频率的变化趋势；

图3样品(a)钛金属(b)铝金属(c)铁金属(d)镍金属表面加工的周期结构超景深3D扫描显微镜表面形貌图(截面插入位置为深度测量位置)；

图4不同扫描加工方式对微波反射率的影响；

图5金属镍的辐照结构(a)周期结构(b)双向周期结构(c)的超景深3D扫描显微镜图像。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明：

飞秒激光处理金属表面的加工装置如图1所示，装置中的He-Ne激光主要用于准直。实验中使用的飞秒激光放大系统(美国Coherent公司，型号Libra)输出中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率为1kHz，单脉冲能量最高可达4mJ。飞秒激光经透镜(焦距f为200mm)聚焦于样品表面，采用中性衰减片对激光脉冲能量E进行衰减和调节。样品被置于电控平移台(德国PI公司，型号M-521DD)上，平移台运动参数与运动方式由电脑程序控制，在与激光入射方向的垂直平面上，平移台带动样品进行光栅式扫描运动，x轴为横向扫描方向(控制扫描速度v)。y轴为纵向移动方向(控制扫描间距d)。在本文中，我们使用铝、钛、铁、镍这四种工程中常用的金属材料。

在式样的微波吸收表征方面，采用了波导法(the waveguide method)对飞秒激光处理后的样品进行微波吸收测量，使用了AgilentN5230A矢量网络分析仪和APC-7同轴波导(0.1～18GHz)。为实现测量，四种金属材料样品被制作成在外径(7±0.01)mm、内径(3±0.01)mm的同轴金属样品。

实施例1

本实施例中，采用激光能量1mJ、扫描间距120μm、扫描速度为1mm/s，通过远间距一维线扫描方式在四种金属样品表面进行处理。随后对样品进行了微波反射率的测量，如图2所示，随着微波频率的增加四种激光处理过的金属表面反射率都形成了各自的吸收峰。Ti的吸收峰值在14GHz处，吸收率为18.9％，Al的吸收峰值在10.7GHz处，吸收率为30.9％，Fe的吸收峰值在10.7GHz处，吸收率为19.1％，Ni的吸收峰在12.6GHz处，吸收率为14.7％。表面形貌变化如图3所示，形成了一维微米光栅结构。众所周知，光滑金属表面对微波几乎没有任何吸收，而实验结果表明，经过激光飞秒激光处理后，金属表面微波吸收效果已经得到有效改善，并且不同金属形成吸收峰变化规律也表现出相似的变化趋势。这也说明本技术在各种金属的通用性。

实施例2

在实例中，对金属镍采用三种不同激光扫描方式对其表面进行处理：方式一(远间距一维线扫描)，同实例1中方法；方式二(正交线扫描)，采取两次扫描，具体方式为在起始点相同的条件下，在样品表面垂直地进行了两次线扫描，激光参数和扫描参数和之前单次扫描时(实例1中参数)一致；方式三(近间距一维线扫描)，采取紧凑式扫描，具体方式为减小扫描间距使其小于光斑尺寸，使上下两次扫描重叠实现激光辐照式加工，实验参数为E＝1.62mJ，d＝0.04mm，v＝4mm/s。微波反射率测量结果如图4所示，可以看到方式一和方式三处理的金属表面与方式二处理后获得微波反射率吸收峰相比，分别发生了不同程度的吸收峰蓝移和红移，因此通过扫描方式可以对飞秒激光处理后的表面微波吸收波段进行调控。三种不同的扫描方式也得到了三种不同类型的表面形貌变化(如图5所示)。

Claims

1.一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，该方法由以下步骤组成：

(1)首先将飞秒激光聚焦入射到金属表面；

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，其特征在于采取三种不同的扫描方式调控微波的吸收波段，具体扫描方式包括：远间距一维线扫描，具体特征为采用高激光能量密度，并且每条扫描线之间相互平行，间距大于聚焦光斑直径；正交线扫描，具体特征为在一维线扫描基础上，在扫描线垂直方向进行再一次的一维线扫描；近间距一维线扫描，具体特征为采用低激光能量密度，并且每条扫描线之间相互平行，间距小于聚焦光斑直径。

3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，其特征在于选择激光源为飞秒激光，中心波长为800nm或400nm，脉宽范围在35fs-1ps，重复频率10Hz-4kHz。

4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，其特征在于吸收的微波波段具体指0.1～18GHz。

5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，其特征在于飞秒激光聚焦方式可以为透镜透射聚焦，也可以采用离轴抛面镜反射聚焦。

6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光处理金属表面优化微波段吸收性能的方法，其特征在于选择的基底材料为金属材料，如金、银、铁、钼、铝、镍、钛、镁、不锈钢以及它们的合金材料。