摘要
金属的激光着色技术是指通过激光辐照金属表面使之产生一定的表面形貌进而改变其光谱表达的先进制造技术。激光着色不仅可以很好地直接应用于装饰、艺术、广告、汽车等方面，在拓展技术的开发和使用上也具有良好的前景，例如彩色条码标刻技术、图像加密技术、重叠图案选择显示技术等。早期有关激光着色技术机理的研究较多，而近年来的相关研究重点则主要集中在如何改进着色效果，包括开发新的着色工艺、提高着色的可控性和可重复性等方面。 激光诱导周期性表面结构（LIPSS）是激光着色技术的机理之一，对加工参数的依赖性和相关性高。目前关于LIPSS的研究大多是基于飞秒激光在紧聚焦条件下进行的，出于提高加工效率和节约加工成本的目的，本文采用波长为1064 nm的Nd:YAG纳秒激光，以较大的聚焦深度对钛金属表面进行了LIPSS的制备。探究加工参数与样品表面形貌，特别是LIPSS形成和分布的规律，并通过参数优化，以逐行扫描的方式加工出具有较好结构色表达的图案，其行间分辨率可以超过人眼分辨极限，成功实现了纳秒高斯光束在较大聚焦深度加工条件下的快速着色。与采用焦点加工或较小聚焦深度加工条件相比，该技术具有更快的激光着色速度和可重复性。论文的主要研究内容包括： （一）单点烧蚀过程中，LIPSS的形成、分布规律与加工参数的关系。研究发现采用能量为高斯分布的激光光斑辐照固定基底时，产生的LIPSS分布在烧蚀斑的中心区域；且随着激光辐照时间的增大，LIPSS在烧蚀斑中心逐渐生成、扩大并最后消失，并得到了生成LIPSS的最佳激光辐照时间。 （二）单行扫描烧蚀过程中，LIPSS的形成、分布规律与加工参数的关系。研究发现：（1）单行扫描烧蚀样品时，形成的LIPSS同样位于烧蚀线的中心，在烧蚀线外侧仅存在基底被烧蚀的痕迹，没有LIPSS分布。（2）在某一特定激光功率和聚焦深度下，改变扫描速度，能控制LIPSS的形成和消失，通过优化激光功率、聚焦深度和扫描速度，可以在基底表面产生最优的 LIPSS 分布。（3）随着聚焦深度的增加，产生LIPSS所需的激光功率也越大，扫描速率更快，得到的LIPSS分布区域也逐渐加宽。在聚焦深度分别为4.68mm、3.38mm、2.68mm、2.38mm，激光功率分别为65mW、30mW、15mW、8mW四组加工参数条件下，得到的LIPSS区域宽度分别为0.321mm、0.278mm、0.207mm、0.137mm。 （三）逐行扫描烧蚀中行间距的优化和彩色图案的加工。（1）通过优化逐行烧蚀加工中的行间距参数，在四组单行烧蚀加工参数下，得到行间不含LIPSS区域最小宽度分别为 0.120mm、0.093mm、0.022mm、0.024mm，接近或小于人眼视觉分辨率。（2）基于获得的加工参数，成功实现彩色图案的加工和显示。 （四）LIPSS取向和分布与激光偏振方向、偏振方向与扫描方向的夹角以及激光能量分布的关系。（1）实验探讨了激光偏振方向与扫描方向的夹角对LIPSS形成和分布的影响，并建立了简单的模型进行解释。（2）研究还发现，在具有一定聚焦深度的情况下，通过改变激光传播方向，使之与聚焦透镜光轴成一定夹角，可以粗略改变光斑的能量分布，使之在扫描方向上能量分布不对称，这样可以有效提高LIPSS分布的均匀性。该结论为下一步通过改变激光光斑能量分布来改善LIPSS的质量提供一种全新的思路。
NETL