通过振动辅助飞行切割技术快速制备结构色阵列，以实现可控的光学表面

《Optics & Laser Technology》：Rapid fabrication of structural color arrays via vibration-assisted fly-cutting for controllable optical surfaces

　　张国清|黄文恒|黄泽佳|尹腾飞|赵泽佳
中国广东省深圳市深圳大学机电与控制工程学院微纳光机电一体化工程重点实验室，南海大道3688号，518060

**摘要**
结构色是一种由微纳米尺度周期结构表面上的光衍射和干涉现象产生的光学效应，广泛应用于装饰、防伪和信息存储领域。然而，制备大面积、高保真度的此类光学结构通常依赖于成本高昂且耗时的技术。本研究提出了一种振动辅助飞切加工方法，用于高效制备金属表面上的微纳米结构阵列，以实现鲜艳且均匀的结构色图案。首先，开发了一种结合了二维高频振动平台和飞切系统的振动辅助飞切加工装置，并建立了槽间距与光谱特征之间的定量关联关系以及槽高度与结构色之间的功能关系，并将这些关系嵌入到刀具路径规划中。其次，在正弦波激励下，研究了加工参数（进给速度、激励电压、振动轨迹和相位差）对结构色和微观结构的影响。通过系统优化加工参数，能够高效再现出高保真度的结构色图案（包括蓝色、绿色和红色）。最后，为验证振动辅助飞切加工系统的可控性和效率，基于之前建立的参数关系，合理设计并制备了一系列复杂的结构色图案。实验结果证实，该方法能够高效制备用于结构色调制的高质量微纳米结构，为功能光学表面的低成本规模化制造提供了有效途径。

**引言**
在自然界中，许多生物体通过其表面或体表的微纳米结构展现出绚丽的结构色[1]。蝴蝶翅膀表面覆盖着周期性微纳米结构，这些结构的形态、大小和空间排列差异导致了可见光的反射型衍射和干涉效应，从而赋予翅膀多种结构色[2][3]。这种颜色与物体的微纳米结构密切相关，并非由色素对特定波长的光选择性吸收或镜面反射产生，而是由于可见光在周期性结构表面的反射型衍射和干涉效应造成的[4]。与基于色素的着色剂相比，结构色具有长期稳定性和环保性，在饱和度和实时可调性方面具有独特优势[5][6]。随着对结构色研究的深入，其应用领域也在不断扩大。结构色不仅具有美学价值，还能实现太阳能转换[7]、防伪[8]、信息存储和加密[9][10]等功能。

结构色制备的关键在于在物体表面获得接近可见光波长的微纳米结构。这些微纳米结构通过调控可见光来产生结构色。激光诱导周期性表面结构（LIPSS）提供了一种简单且经济有效的光栅制备方法[11]。由于其高精度、非接触式加工以及适用于多种工程材料的特点，LIPSS在结构色制备领域得到了广泛应用[12]。张等人利用4f零色散系统和时间 shaping 脉冲技术在硅表面成功制备了高度均匀的周期性LIPSS，实现了明亮纯净的结构色效果[13]。王等人在Ti6Al4V表面也成功制备了LIPSS，并观察到激光参数调整对表面颜色的显著影响，尤其是在弱光环境中的变化[14]。侯等人利用飞秒零阶贝塞尔光束的旁瓣雕刻出同心环形阵列，在坚固的SiC基底上实现了圆对称结构色[15]。邱等人提出了一种极化调制激光烧蚀方法，结合流动液体，制备了具有可调横截面的层状微通道和蚀刻表面纳米结构[16]。尽管飞秒激光加工技术可以实现高精度微结构和光学控制[17][18]，但如何实现坚固金属光学表面的可扩展且经济高效的制备方法仍是一个挑战[19][20]。

胶体自组装技术也是制备结构色的重要方法，其在工业中具有广泛应用。自组装技术的核心是利用胶体微球的自组装来制备光子晶体薄膜[21][22]。在此过程中，胶体微球在静电排斥力和范德华力的作用下逐渐形成有序排列，最终构建出高度有序的结构[23][24]。Holgado等人提出了一种利用外加电场下胶体粒子电学性质进行自组装的方法[25]。Gu等人在此基础上进一步发展了电泳技术，通过电泳沉积制备了更厚的光子晶体薄膜[26]。Han等人利用一步限域自组装在疏水基底上制备了层次化结构色薄膜，结合了有序周期层和非晶阵列，实现了优异的光学性能[28]。然而，自组装技术制备的结构色存在涂层颜色不够鲜艳的问题[29][30]。

超精密加工（UPM）技术具有高灵活性、高效率和低成本的优势，能够制备出亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度的优质光学表面，广泛应用于微纳米结构的制备[31][32]。超精密飞切（UPFC）技术在UPM中具有明显优势，其金刚石工具鼻部的几何形状可以复制到工件表面，用于加工微沟阵列。V形微沟阵列常被用作衍射光栅，实现可见光范围内的光谱调谐。当工件表面的微沟间距达到亚微米水平时，可以观察到结构色。杜等人提出了一种多道次渐进式加工策略，将切割深度分为多个阶段以提高表面质量[33]。使用单点金刚石工具，通过UPFC制备了间距为2μm的V形微沟阵列[33]。此外，董等人利用径向飞切技术制备了亚微米周期V形微沟阵列，在镍磷表面上实现了全光谱着色[34]。但由于单点工具每次旋转仅生成一条微沟，且微沟间距必须保持在几微米范围内，导致进给速度极低，加工效率较低[35]。此外，相邻微沟的间距和深度固定，这两参数直接影响反射光的颜色类型和强度，因此该方法生成的结构色相对简单。

相比之下，振动辅助加工（VAM）技术不仅能有效克服这些限制，还能通过引入振动来提高加工效率[36][37][38][39]。Yang等人提出了一种椭圆振动辅助的超精密车削方法，用于在黄铜表面上制备周期性微纳光栅，实现铜表面的全光谱着色[1][40][41]。Wang等人开发了多频VAM技术，用于制备具有任意频率特性的光学傅里叶表面[37]。傅里叶表面轮廓被分解为对应红、绿、蓝三种颜色的三个正弦分量，通过这些频率的叠加实现任意颜色组合[37]。Lin等人研究了工具-振动路径（椭圆、三角形和梯形）对工具-工件相互作用的影响，成功制备了具有明确形态和确定结构色的光栅[42]。然而，VAM技术在结构色制备方面仍面临一些关键挑战：一方面，多维VAM参数对结构色生成、光学质量和性能稳定性的定量影响机制尚不明确，加工参数、微纳米结构形态与结构色光学响应之间的全链映射关系尚未完全建立，限制了对结构色性能的精确调控；另一方面，现有的VAM技术大多依赖于复杂的多轴运动控制系统和高端超精密机床（具有完整的直线Y轴），导致设备门槛高和加工成本高，难以满足低成本和可扩展结构色功能表面的制造需求。

本研究提出了一种振动辅助飞切（VAFC）方法，将超精密飞切（UPFC）与振动辅助加工（VAM）相结合，用于金属表面结构色的低成本高效制备，实现了可控的周期性微纳米结构的高精度加工，满足结构色调制的光学要求。为此开发了一个定制的二维（2D）高频振动平台，并将其与飞切系统集成。Z方向的高频振动能够快速调节切割深度，在每个主沟内加工出多个微米级或亚微米级的次级沟槽，为形成均匀的结构色（蓝、绿、红三种基色）和二维码等复杂图案奠定了基础。此外，在Y/Z多轴正弦波激励下，系统研究了加工参数（振幅、频率、相位差）对结构色和微观结构形态的影响，Y/Z方向的振动提供了额外的运动自由度，用于加工更复杂的微纳米结构以实现多样化的结构色调制。通过建立加工参数与结构色响应的定量关联模型，本研究明确了Y/Z多轴激励对金属表面结构色调制的作用机制，为使用三轴超精密机床快速加工基于结构色的复杂微结构提供了理论和技术参考。

**剩余部分结构如下：**第2节介绍了结构色生成原理，详细阐述了2D高频振动平台的设计和结构色生成加工系统的构成。第3节通过实验验证了加工效率及结构色生成的工艺可控性，同时分析了加工参数对微观结构形态和颜色保真度的影响。第4节提供了结论性意见。

**结构色生成原理**
结构色是由光在金属表面的微纳米级微沟光栅上的衍射和干涉形成的。当可见光照射到接近可见光波长的沟槽阵列上时，部分光线会被反射，并在金属表面形成衍射和干涉图案。不同波长的光会产生不同方向的干涉峰和衍射条纹。

**结果与讨论**
本研究采用VAFC加工系统，在Z方向和Y/Z方向施加激励信号，生成结构色和微纳米结构。系统变化实验参数，研究结构单元的形态和间距对颜色保真度的影响。颜色保真度的评估采用了直观的视觉评价方法，重点关注两个核心维度：色彩均匀性和亮度一致性。

**结论**
本研究提出了一种VAFC方法，不仅提高了金属表面结构色制备的效率，还实现了宏观-微观复合的双层次微纳米结构的制备。为获得结构色光栅所需的亚微米级间距，开发了一种二维高频振动平台，其Z和Y方向的行程超过3μm，自然频率分别为8386Hz（Z方向）和8428Hz（YC方向）。

**作者贡献声明**
张国清：撰写–审稿与编辑、方法学研究、资金申请；
黄文恒：撰写–审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、实验研究；
黄泽佳：撰写–审稿与编辑、软件开发；
尹腾飞：撰写–审稿与编辑。赵泽佳：写作——评审与编辑。
利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文所报告工作的个人关系。
致谢：
本项工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52275454）、深圳市科技创新计划（项目编号：JCYJ20220818102409021、SGDX20240115101806011）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024B1515120002）的资助。