激光干涉改性钴铬钼合金表面研究

李文君

(长春理工大学，长春 130022)

激光干涉改性钴铬钼合金表面研究

李文君

(长春理工大学，长春 130022)

利用激光干涉纳米光刻技术，在钴—铬—钼合金表面制备周期性的凹坑结构。研究了激光干涉纳米光刻过程中，影响材料表面结构的工艺参数，实验验证了三光束激光干涉光刻的曝光时间和光强能量密度对钴—铬—钼合金钢表面微纳米结构凹坑形状、直径及结构面积的影响。

激光干涉；改性；钴铬钼合金；表面

随着材料工程学的发展，表面改性技术成为改善材料表面抗磨损、耐腐蚀性能的有效途径之一[1]。人工关节假体摩擦界面的磨损是制约其使用寿命的主要因素。钴—铬—钼合金是目前普遍应用的人工假体材料之一，在承重过程中其磨损严重影响了人工关节的使用寿命。利用表面改性的方法提高钴—铬—钼合金抗摩擦磨损性能已经得到了广泛关注，各种表面改性技术也得到了进一步发展。例如，热处理技术[2，3]、化学沉积技术[4]、物理沉积方法[5]和激光处理技术[6]。在现有的制造技术中，激光处理技术应用得最为广泛，因为激光能够直接对各种金属、合金、半导体材料和高分子材料等表面进行加工，在表面形成复杂的三维立体结构。激光干涉纳米光刻技术可以直接加工不同材料表面，通过控制工艺参数，得到任意的三维结构。

1 原理

该技术利用多光束激光干涉产生的图案直接加工曲面或平面材料表面，形成与图案相对应的高精度微纳米复合结构，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两束或多束激光干涉，产生干涉图案阵列的光强能量分布与材料相互作用而获得表面的微纳米结构。干涉图案不仅是二维平面内的点、线，还可以是构造复杂的多周期结构。该技术具有特征尺寸、形状和周期，从纳米到微米级连续可调的优点，在空气中，周期最小可接近1/2波长。利用三光束激光干涉技术，通过控制干涉光的波长、入射角、空间角、偏振态及光强能量密度和曝光时间，直接在材料表面制备具有特定周期的微米级凹坑结构。三光束相干光场干涉叠加可由以下公式解释：

(1)

在制备过程中，干涉光源的入射角和波长决定了干涉结构的凹坑密度，同时干涉光强能量密度和曝光时间影响着凹坑的直径。凹坑的几何形状取决于干涉光数目、空间角和偏振态。

2 实验和讨论

本实验利用大功率纳秒激光器，激光波长为1 064 nm，搭建三光束激光干涉光刻系统，在钴—铬—钼合金表面制备周期性微米级凹坑结构。激光频率为10 Hz，脉冲为7 ns。由激光器发出的一束激光，由高反镜1、半反半透镜1和高反镜2分出干涉光束1；由高反镜1、半反半透镜1、半反半透镜2和高反镜3分出干涉光束2；由高反镜1、半反半透镜1、半反半透镜2和高反镜4分出干涉光束3。三组波片和偏振片镜组分别置于曝光材料前，用于控制每束干涉光的光强能量密度和偏振态。

以上所有实验都在空气中进行。

三光束干涉光刻系统如图1所示，三束干涉光空间角为φ1=0°，φ2=120°，φ3=240°，入射角为8.5°，偏振态为TE-TE-TM，ψ1=ψ2=90°，ψ3=0°。

图2为微米级凹坑结构的形貌扫描电镜图片，结构的平均周期为8.5 μm。高峰值大功率纳秒激光光源在烧蚀钴—铬—钼合金表面的过程中，合金在极高的温度下与氧气在很短的时间内发生反应。图2(a)(b)(c)是光强能量密度分别为f1=0.23 J/cm2，f2=0.37 J/cm2，f3=0.45 J/cm2，曝光时间为40 s的凹坑结构形貌图。从图2中可以明显观察到，光强能量密度为0.23 J/cm2，凹坑的直径很小并且凹坑的深度明显不够，并没有最大范围内形成周期性的凹坑结构。随着光强能量密度的增加，凹坑结构逐渐明显且较为均匀，并且结构表面没有出现裂痕。当光强能量密度达到0.45 J/cm2，凹坑外缘开始融化，部分凹坑结构被破坏。

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

3 结论

本文研究了激光干涉纳米光刻技术直接加工钴—铬—钼合金表面，通过控制结构的几何形貌和特征尺寸，提供了一种高效、可控和高精度地提高摩擦磨损特性的方法。通过实验分析了曝光时间和光强能量密度对结构形貌和特征尺寸的影响，为进一步研究激光干涉纳米光刻技术在钴—铬—钼合金表面制备可控特征尺寸的结构奠定了良好的基础。

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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，硕士研究生，初级。