聚合物激光烧蚀的最新进展

聚合物是由重复的亚分子或原子结构组成的大分子。这些可以是天然存在的大分子，也可以是在实验室中合成的，以服务于特定目的。许多日常用品都是由聚合物制成的。例如，聚乙烯用于塑料袋和瓶子。工业环境中使用的板条箱和绳索由聚丙烯制成。基础设施部件，如水管和电缆上的绝缘，主要由聚氯乙烯组成。聚合物还广泛用于科学技术，如光波导，微流体通道和电子学。聚合物的普及在于适合纳米纹理的物理性质。聚合物重量轻，耐腐蚀性强，摩擦系数低，与其他类别的材料相比，磨损更少。

聚合物的表面可以使用多种技术进行纹理处理。微铣削，热压花，基于激光的光刻，机械纹理，电化学加工和离子束蚀刻是一些正在使用的方法。激光消融（LA）已经取代其他方法成为最突出的技术，因为它是一种能够创造更高质量纹理的非接触式程序。LA也是低成本的，更容易实施。

LA使用超短激光脉冲从基板上去除材料，以创建微或纳米特征。第一份关于洛杉矶的公开报告是由海军研究实验室的罗伯特•科森斯（Robert Cozzens）于1977年发表的。从那时起，LA的使用在许多不同的应用中得到了广泛的应用，并且该技术迅速发展。高能激光脉冲可以熔化和汽化聚合物。由于这种能力，LA是使聚合物表面纹理的理想方法。典型的 LA 设置如图 1 所示。超短脉冲激光束通过透镜聚焦到聚合物表面。激光头或安装聚合物基板的载物台能够以2D形式平移。整个设置是自动化的，因此运动的顺序是均匀的。

图1 LA的光学器件设置，放大图像显示了表面的融化和等离子体羽流的产生。

当聚合物的表面被激光束照射时，基板中的电子被激发。在此过程中吸收的光子能量在聚合物内产生热量。基板中产生的热量取决于激光束的强度和聚合物的厚度。由于热量，激光点周围的聚合物表面开始熔化和蒸发。因此，材料从表面上被移除。在相互作用区域，材料从固体转变为气体，形成等离子体羽流，如图1所示。激光触发的相变是一种化学反应。消融过程可能是由于化学，热或受两者组合影响的变化而发生的。通过在所需方向上扫描激光穿过表面，可以在聚合物上形成图案纹理。或者，可以固定激光器，并且可以平移容纳聚合物的平台以完成相同的壮举。自动化和控制技术的进步极大地帮助了洛杉矶。激光源的特性对聚合物的LA有重大影响。波长、脉冲宽度、重复频率和通量等激光规格是关键参数。聚合物上所需的纹理类型决定了所需的最佳激光特征。低重复率系统提供高脉冲能量，而短脉冲持续时间的激光器具有高峰值功率。激光束的通量是激光光斑每单位面积传递的能量。激光束的单色性和指向稳定性对于LA也至关重要。单色性确保激光束的波长在手术过程中保持恒定。指向稳定性描述了光束方向性随时间的变化。现代激光技术在LA所需的大多数激光参数中提供高性能。将激光器与控制机构集成在一起，提高了LA的性能。

洛杉矶凭借现代激光技术和控制软件迅速发展。制造工艺从高质量纹理聚合物的快速加工时间中受益匪浅。持续开发高效、精准的控制技术将进一步提高LA水平。开发定量建模以优化LA工艺的研究工作，从激光参数到机械工程，将LA在聚合物和其他领域的表面纹理加工推向新的高度。

【1】Obilor, A.F., Pacella, M., Wilson, A. et al. Micro-texturing of polymer surfaces using lasers: a review. Int J Adv Manuf Technol 120, 103–135 (2022).

【2】Sandeep Ravi-Kumar, Benjamin Lies, Xiao Zhang, Hao Lyu, Hantang Qin. Laser ablation of polymers: a review. Polymer International (2019) .

【3】Robert F. Cozzens, Robert B. Fox. Infrared laser ablation of polymers. Polymer Engineering and Science (1978) .