本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)色薄膜制備的裝置和方法，具體涉及一種激光誘導(dǎo)的向前轉(zhuǎn)移實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色薄膜制備的裝置和方法，屬于激光應(yīng)用及結(jié)構(gòu)色制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自然界中的顏色大體可以分為兩類，一類是色素色，另一類是結(jié)構(gòu)色。前者為在入射光的作用下，分子中發(fā)色團中的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)而引起的顏色，色素生色源于色素分子選擇性的吸收及反射特定頻率的光從而顯現(xiàn)出不同的顏色。而結(jié)構(gòu)色具有高亮度、高飽和度、永不褪色、虹彩現(xiàn)象、偏振效應(yīng)等特點與優(yōu)勢。

目前來講，生物界中的結(jié)構(gòu)色主要是由光與納米周期性結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的，該相互作用包括光的干涉(薄膜干涉和多層膜干涉)、衍射、散射、光子晶體結(jié)構(gòu)生色和無序結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的顏色。

目前，制備結(jié)構(gòu)色材料的方法主要包括精密機械加工法、全息干涉法、自組裝法等，其中精密機械加工法通常由精密的宏觀加工手段實現(xiàn)，即從宏觀材料出發(fā)，利用物理手段將材料的尺寸減小到所需要微米尺度，一般包括機械鉆孔法、電子束刻燭法、光刻燭法等。通過精密加工的手段制備的光子晶體穩(wěn)定而可靠，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但是所需設(shè)備比較昂貴，制備過程繁雜耗時。自組裝法包括毛細管力自組裝、垂直提拉法、重力沉降組裝法、靜電組裝法、外加電場或磁場法等，這些具有操作簡單和速度快的優(yōu)點，可以獲得大面積的周期性結(jié)構(gòu)，適合微球類結(jié)構(gòu)自組裝光子晶體，但缺點是很難避免缺陷，樣品圖案種類少，真實度差。

因此，開發(fā)一種無掩膜、簡單、低成本的結(jié)構(gòu)色薄膜制備的裝置和方法變得十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的之一是提供一種無掩膜、簡單、低成本的結(jié)構(gòu)色薄膜制備的裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

一種激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)制備結(jié)構(gòu)色薄膜的裝置，其特征在于，該裝置包括：激光光源、光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)和精密移動系統(tǒng)，所述激光光源與所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)相連接，所述精密移動系統(tǒng)位于所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的下面；所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括準直擴束透鏡組，與之相連接的掃描振鏡系統(tǒng)，所述掃描振鏡系統(tǒng)由兩個互相垂直的平面反射鏡、振鏡控制電機以及振鏡控制器組成，平面反射鏡與振鏡控制電機相連接，振鏡控制電機與振鏡控制器相連接，所述掃描振鏡系統(tǒng)連接f-θ透鏡；所述精密移動系統(tǒng)包括精密移動平臺(Z軸方向)、運動控制器和計算機，所述計算機通過運動控制器和精密移動平臺相連接，所述精密移動平臺用于放置初始基片和接收基片。

優(yōu)選地，所述激光光源為脈沖激光器。

優(yōu)選地，所述激光光源的輸出波長355nm，脈沖寬度1～10ns，重復(fù)頻率1～10kHz，最大脈沖能量>1mJ，單縱模運轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，準直擴束透鏡組由兩個平凸透鏡組成，對激光光源發(fā)射的激光進行準直擴束后，激光光斑直徑變?yōu)樵瓉淼?倍，該準直擴束透鏡組與激光光源直接固連在一起。

優(yōu)選地，所述平面反射鏡為相互垂直且對于355nm激光全反射的平面鏡，用于圍繞X軸和Y軸擺動。

優(yōu)選地，所述振鏡控制電機采用交流伺服電機，用于控制平面反射鏡的擺動。

優(yōu)選地，所述振鏡控制器通過振鏡控制電機控制平面反射鏡的擺動，實現(xiàn)激光光束在XY平面內(nèi)按照預(yù)設(shè)路徑移動。

優(yōu)選地，所述f-θ透鏡鍍有355nm增透膜，掃描角±15°，有效焦距300mm。

優(yōu)選地，所述精密移動平臺在Z軸方向上的行程范圍為100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范圍內(nèi)直線度小于10μm，平直度小于15μm。

優(yōu)選地，所述運動控制器采用交流伺服電機，在Z軸方向上控制精密移動平臺的精密移動，使其聚焦于初始基片與功能薄層的界面。

本發(fā)明的另一目的是提供一種利用激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色薄膜制備的方法。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案達到的：

一種激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色薄膜制備的方法，包括如下步驟：

(1)采用旋涂、刮涂或印刷的方法在作為透明的初始基片的載玻片上制備一層功能薄層，然后將墊片置于鍍有功能薄層的初始基片和接收基片之間，形成一個微小間距，該功能薄層面朝下，再將其放置于精密移動平臺上；

(2)激光光源發(fā)出的光經(jīng)準直擴束透鏡組入射到平面反射鏡(沿X軸擺動)后，發(fā)生反射，反射光入射到另一個平面反射鏡(沿Y軸擺動)，再次發(fā)生反射，反射光經(jīng)f-θ透鏡后投射到(1)中制備好的初始基片上；

(3)上述光束聚焦于步驟(1)中制備好的初始基片上，焦點位于所述初始基片與功能薄層之間的位置，激光能量透過透明的初始基片，被功能薄層吸收，使初始基片與功能薄層的界面加熱，當入射激光能量超過閾值時，功能薄層中與初始基片接觸部分的溫度升高，達到功能薄層材料的沸點，汽化形成的蒸汽壓推動其前方熔化的材料脫離初始基片并噴向接收基片，功能薄層上的材料被局部的轉(zhuǎn)移到接收基片上，此過程中，根據(jù)待掃描圖形的輪廓要求，在計算機指令的控制下，向XY軸振鏡控制器發(fā)出指令信號，XY軸振鏡控制電機分別沿X軸和Y軸做出快速、精確偏轉(zhuǎn)，從而控制兩個平面反射鏡的反射角度，使激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)并且沿X-Y平面進行快速掃描，而精密移動系統(tǒng)通過計算機和運動控制器控制精密移動平臺在Z軸方向上精密移動，使激光光斑聚焦于初始基片與功能薄層的界面，最終實現(xiàn)功能薄層以特定的圖案化進行轉(zhuǎn)移，使該圖案化的薄層在不同觀察角度下帶有絢麗多彩的顏色。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中所述微小間距的距離為1-100μm。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中所述功能薄層為納米涂層，其厚度為50nm-10μm。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中所述功能薄層的材料為金系金屬薄膜、銀系金屬薄膜、銅系金屬薄膜。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中所述激光光源輸出的波長為355nm，脈沖寬度1～10ns，重復(fù)頻率1～10kHz，最大脈沖能量>1mJ，單縱模輸出。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中所述準直擴束透鏡組對光源發(fā)射的激光進行準直擴束后，激光光斑直徑變?yōu)樵瓉淼?倍。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中所述平面反射鏡為相互垂直且對于355nm激光全反射的平面鏡，用于圍繞X軸和Y軸擺動。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中所述f-θ透鏡鍍有355nm增透膜，掃描角±15°，有效焦距300mm。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中所述振鏡控制電機采用交流伺服電機，用于控制平面反射鏡的擺動，實現(xiàn)激光光束在XY平面內(nèi)按照預(yù)設(shè)路徑移動。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中所述精密移動平臺在Z軸方向上的行程范圍為100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范圍內(nèi)直線度小于10μm，平直度小于15μm。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中所述運動控制器采用交流伺服電機，在Z軸方向上控制精密移動平臺的精密移動，使其聚焦于初始基片與功能薄層的界面。

本發(fā)明提供的這種激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色薄膜制備的裝置和方法，通過高能量的激光將初始基片上的功能薄層按預(yù)設(shè)路徑轉(zhuǎn)移到鄰近的接收基片上，實現(xiàn)精確控制功能薄層的局部轉(zhuǎn)移和沉積，得到特定的預(yù)設(shè)圖案，使該圖案化的薄層帶有絢麗多彩的顏色。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可實現(xiàn)快速、高精度、大幅面的結(jié)構(gòu)色薄膜制備，有利于大大降低制造成本和制造周期；本發(fā)明具有適應(yīng)性強，加工精度高，成本低廉，綠色環(huán)保，適用范圍廣等諸多優(yōu)點。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰，以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)制備結(jié)構(gòu)色薄膜的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中采用射頻磁控濺射方法制備的銀納米薄膜的顯微鏡照片。

主要附圖標記：

1 激光器 2 準直擴束透鏡組

3-1 平面反射鏡 3-2 平面反射鏡

4 電機(X方向) 5 電機(Y方向)

6 振鏡控制器 7 f-θ透鏡

8 初始基片 9 功能納米薄層

10 墊片 11 接收基片

12 精密移動平臺 13 運動控制器

14 控制系統(tǒng)計算機

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，是本實施例的激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)制備結(jié)構(gòu)色薄膜的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為激光器，2為準直擴束透鏡組，3-1為平面反射鏡(X方向)，3-2為平面反射鏡(Y方向)，4為電機(X方向)，5為電機(Y方向)，6為振鏡控制器，7為f-θ透鏡，8為初始基片，9為功能納米薄層，10為墊片，11為接收基片，12為精密移動平臺，13為運動控制器，14為控制系統(tǒng)計算機，其中，準直擴束透鏡組2與脈沖激光器1固連在一起，準直擴束透鏡組2、平面反射鏡3、電機(X方向)4、電機(Y方向)5、振鏡控制器6和f-θ透鏡7組成光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)待掃描圖形的輪廓要求，在控制系統(tǒng)計算機14指令的控制下，向(XY軸)振鏡控制器6發(fā)出指令信號，電機(X方向)4和電機(Y方向)5分別沿X軸和Y軸做出快速、精確偏轉(zhuǎn)，從而控制平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2的反射角度，使激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)f-θ透鏡7聚焦后沿X-Y平面進行快速掃描；精密移動平臺12、運動控制器13和控制系統(tǒng)計算機14組成精密移動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計算機14通過運動控制器13與精密移動平臺12相連接；采用旋涂、刮涂或印刷的方法在作為初始基片8的載玻片上制備一層功能納米薄層9，然后將墊片10置于鍍有功能納米薄層9面的初始基片8和接收基片11之間，形成一個微小間距100μm(墊片厚度)，該功能納米薄層9面朝下，再將其放置于精密移動平臺12上，精密移動平臺12通過運動控制器13和控制系統(tǒng)計算機14連接。

功能納米薄層9為采用射頻磁控濺射方法制備的納米銀薄膜，平均粒徑30nm，其厚度為10nm，50nm，100nm，200nm，300nm，或500nm。

激光器1的輸出波長355nm，脈沖寬度1～10ns，重復(fù)頻率1～10kHz，最大脈沖能量>1mJ，單縱模輸出。

準直擴束透鏡組2由兩個平凸透鏡組成，對激光器1發(fā)射的激光進行準直擴束后，激光光斑直徑變?yōu)樵瓉淼?倍，該準直擴束透鏡組2與激光器1直接固連在一起；

兩個平面反射鏡：平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2，相互垂直，對于355nm激光全反射，可分別圍繞X軸和Y軸擺動。

電機(X方向)4和電機(Y方向)5采用交流伺服電機，分別用于控制平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2的擺動。

振鏡控制器6通過振鏡控制電機(即電機(X方向)4和電機(Y方向))控制平面反射鏡的擺動，實現(xiàn)激光光束在XY平面內(nèi)按照預(yù)設(shè)路徑移動。

f-θ透鏡7鍍有355nm增透膜，掃描角±15°，有效焦距300mm。

精密移動平臺12在Z軸方向上的行程范圍為100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范圍內(nèi)直線度小于10μm，平直度小于15μm。

運動控制器13采用交流伺服電機，在Z軸方向上控制精密移動平臺12的精密移動，使其聚焦于初始基片8與功能納米薄層9之間的界面。

如圖2所示，為本發(fā)明中采用射頻磁控濺射方法制備的銀納米薄膜的顯微鏡照片，顯微鏡采用型號為Hitachi SU8020的掃描電子顯微鏡，放大1.5萬倍，右下方標尺為300nm。利用磁控濺射方法，以高純銀(99.99％)為靶材，靶材與基材之間的距離為70mm，先將反應(yīng)室抽至本底真空2×10^-3Pa，然后充入濺射氣體高純氬氣(99.99％)至一定壓強，氣流速度為30mL/min，在初始基片8上沉積厚度為100nm的薄膜，平均粒徑30nm。

本實施例的激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色薄膜制備的方法的具體步驟包括：

步驟1：激光器1發(fā)出的光束經(jīng)準直擴束透鏡組2之后變成能量均勻的平行光，然后首先投射到平面反射鏡(X方向)3-1的反射面上，經(jīng)過平面反射鏡(X方向)3-1反射之后，再投射到平面反射鏡(Y方向)3-2的反射面，最后經(jīng)過平面反射鏡(Y方向)3-2的反射后，投射到f-θ透鏡7聚焦，精密移動平臺12通過控制系統(tǒng)計算機14和運動控制器13在Z軸方向上精密移動，使激光光斑聚焦于初始基片8與功能納米薄層9的界面，這樣激光束投射到工作平面上后，在不同入射角方向上可以獲得平整焦平面；

步驟2：聚焦后的激光束投射到初始基片8上，焦點位于功能納米薄層9的位置，激光能量被功能納米薄層9吸收，使初始基片8與功能納米薄層9上的材料界面加熱，當入射激光能量超過閾值時，汽化形成的蒸汽壓推動其前方熔化的材料脫離初始基片8并噴向接收基片11，功能納米薄層9的材料被局部的轉(zhuǎn)移到接收基片11上；

步驟3：根據(jù)待掃描圖形的輪廓要求，在控制系統(tǒng)計算機14指令的控制下，向(XY軸)振鏡控制器6發(fā)出指令信號，電機(X方向)4和電機(Y方向)5分別沿X軸和Y軸做出快速、精確偏轉(zhuǎn)，從而控制兩個平面反射鏡：平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2，的反射角度，使激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)f-θ透鏡聚焦后沿X-Y平面進行快速掃描，形成不同觀察角度下具有特殊顏色效果的圖案轉(zhuǎn)移。

其中，激光器1的輸出波長355nm，脈沖寬度1～10ns，重復(fù)頻率1～10kHz，最大脈沖能量>1mJ；準直擴束透鏡組2由兩個平凸透鏡組成，對激光器1發(fā)射的激光進行準直擴束后，激光光斑直徑變?yōu)樵瓉淼?倍，該準直擴束透鏡組2與激光器1直接固連在一起；平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2相互垂直，對于355nm激光全反射，可分別圍繞X軸和Y軸擺動；電機(X方向)4和電機(Y方向)5采用交流伺服電機，用于控制平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2的擺動；振鏡控制器6通過振鏡控制電機(電機(X方向)4和電機(Y方向)5)控制平面反射鏡(X方向)3-1和平面反射鏡(Y方向)3-2的擺動，實現(xiàn)激光光束在XY平面內(nèi)按照預(yù)設(shè)路徑移動；f-θ透鏡7鍍有355nm增透膜，掃描角±15°，有效焦距300mm；精密移動平臺12在Z軸方向上的行程范圍為100mm，最大速度200mm/s，每100mm行程范圍內(nèi)直線度小于10μm，平直度小于15μm；運動控制器13采用交流伺服電機，在Z軸方向上控制精密移動平臺12的精密移動，使其聚焦于初始基片2與功能納米薄層9的界面。

以上所述具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，但并不限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本報發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。