激光干涉改性鈷鉻鉬合金表面研究

李文君

(長春理工大學，長春 130022)

激光干涉改性鈷鉻鉬合金表面研究

李文君

(長春理工大學，長春 130022)

利用激光干涉納米光刻技術，在鈷—鉻—鉬合金表面制備周期性的凹坑結構。研究了激光干涉納米光刻過程中，影響材料表面結構的工藝參數，實驗驗證了三光束激光干涉光刻的曝光時間和光強能量密度對鈷—鉻—鉬合金鋼表面微納米結構凹坑形狀、直徑及結構面積的影響。

激光干涉；改性；鈷鉻鉬合金；表面

隨著材料工程學的發展，表面改性技術成為改善材料表面抗磨損、耐腐蝕性能的有效途徑之一[1]。人工關節假體摩擦界面的磨損是制約其使用壽命的主要因素。鈷—鉻—鉬合金是目前普遍應用的人工假體材料之一，在承重過程中其磨損嚴重影響了人工關節的使用壽命。利用表面改性的方法提高鈷—鉻—鉬合金抗摩擦磨損性能已經得到了廣泛關注，各種表面改性技術也得到了進一步發展。例如，熱處理技術[2，3]、化學沉積技術[4]、物理沉積方法[5]和激光處理技術[6]。在現有的制造技術中，激光處理技術應用得最為廣泛，因為激光能夠直接對各種金屬、合金、半導體材料和高分子材料等表面進行加工，在表面形成復雜的三維立體結構。激光干涉納米光刻技術可以直接加工不同材料表面，通過控制工藝參數，得到任意的三維結構。

1 原理

該技術利用多光束激光干涉產生的圖案直接加工曲面或平面材料表面，形成與圖案相對應的高精度微納米復合結構，得到具有特殊特征尺寸的材料。表面激光干涉制造的原理是利用兩束或多束激光干涉，產生干涉圖案陣列的光強能量分布與材料相互作用而獲得表面的微納米結構。干涉圖案不僅是二維平面內的點、線，還可以是構造復雜的多周期結構。該技術具有特征尺寸、形狀和周期，從納米到微米級連續可調的優點，在空氣中，周期最小可接近1/2波長。利用三光束激光干涉技術，通過控制干涉光的波長、入射角、空間角、偏振態及光強能量密度和曝光時間，直接在材料表面制備具有特定周期的微米級凹坑結構。三光束相干光場干涉疊加可由以下公式解釋：

(1)

在制備過程中，干涉光源的入射角和波長決定了干涉結構的凹坑密度，同時干涉光強能量密度和曝光時間影響著凹坑的直徑。凹坑的幾何形狀取決于干涉光數目、空間角和偏振態。

2 實驗和討論

本實驗利用大功率納秒激光器，激光波長為1 064 nm，搭建三光束激光干涉光刻系統，在鈷—鉻—鉬合金表面制備周期性微米級凹坑結構。激光頻率為10 Hz，脈沖為7 ns。由激光器發出的一束激光，由高反鏡1、半反半透鏡1和高反鏡2分出干涉光束1；由高反鏡1、半反半透鏡1、半反半透鏡2和高反鏡3分出干涉光束2；由高反鏡1、半反半透鏡1、半反半透鏡2和高反鏡4分出干涉光束3。三組波片和偏振片鏡組分別置于曝光材料前，用于控制每束干涉光的光強能量密度和偏振態。

以上所有實驗都在空氣中進行。

三光束干涉光刻系統如圖1所示，三束干涉光空間角為φ1=0°，φ2=120°，φ3=240°，入射角為8.5°，偏振態為TE-TE-TM，ψ1=ψ2=90°，ψ3=0°。

圖2為微米級凹坑結構的形貌掃描電鏡圖片，結構的平均周期為8.5 μm。高峰值大功率納秒激光光源在燒蝕鈷—鉻—鉬合金表面的過程中，合金在極高的溫度下與氧氣在很短的時間內發生反應。圖2(a)(b)(c)是光強能量密度分別為f1=0.23 J/cm2，f2=0.37 J/cm2，f3=0.45 J/cm2，曝光時間為40 s的凹坑結構形貌圖。從圖2中可以明顯觀察到，光強能量密度為0.23 J/cm2，凹坑的直徑很小并且凹坑的深度明顯不夠，并沒有最大范圍內形成周期性的凹坑結構。隨著光強能量密度的增加，凹坑結構逐漸明顯且較為均勻，并且結構表面沒有出現裂痕。當光強能量密度達到0.45 J/cm2，凹坑外緣開始融化，部分凹坑結構被破壞。

圖1 三光束激光干涉光路圖Fig.1 Three beam laser interference optical path

3 結論

本文研究了激光干涉納米光刻技術直接加工鈷—鉻—鉬合金表面，通過控制結構的幾何形貌和特征尺寸，提供了一種高效、可控和高精度地提高摩擦磨損特性的方法。通過實驗分析了曝光時間和光強能量密度對結構形貌和特征尺寸的影響，為進一步研究激光干涉納米光刻技術在鈷—鉻—鉬合金表面制備可控特征尺寸的結構奠定了良好的基礎。

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Studyonsurfacemodificationofcobaltchromiummolybdenumalloybylaserinterference

LI Wen-jun

(Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

Periodic dimple structure was prepared on cobalt chromium molybdenum alloy surface by laser interference lithography. This paper studies on process parameters affecting surface structure of the material in laser interference nanolithography process. The effects of three beam laser interference lithography on dimple shape, diameter and structure area in exposure time and light energy density were verified.

Laser interference; Modification; Cobalt chromium molybdenum alloy; Surface

R783.1

B

1674-8646(2017)20-0034-02

2017-09-30

李文君(1987-)，女，碩士研究生，初級。