Direct Laser Interference Patterning: Setup development including a compact novel design and experiments on surface functionalization

Abstract

O Direct Laser Interference Patterning (DLIP) é uma técnica eficiente para a fabricação de micro e nanoestruturas periódicas em superfícies de materiais, oferecendo vantagens funcionais e econômicas significativas em áreas como tribologia, saúde, fotovoltaicos e aplicações decorativas. Apesar do amplo potencial de aplicação do DLIP, a documentação detalhada sobre o projeto, calibração e montagem de sistemas DLIP ainda é limitada na literatura. Este estudo apresenta o desenvolvimento e a caracterização de quatro diferentes configurações ópticas de DLIP, oferecendo uma explicação sobre as decisões técnicas por trás de cada projeto. O processo de desenvolvimento envolveu modelagem óptica, cálculos de ângulo do prisma para paralelização dos feixes e estratégias de calibração. O desempenho dos sistemas desenvolvidos foi validado por meio de uma série de experimentos de texturização de superfícies, demonstrando funcionalidades como superhidrofobicidade, efeitos de coloração por difração e propriedades autolimpantes. O projeto inclui o desenvolvimento de um sistema compacto inovador, projetado para oferecer controle flexível da periodicidade com apenas um décimo do tamanho de sistemas comerciais convencionais. Os experimentos confirmam que o sistema DLIP compacto não apenas iguala a versatilidade funcional dos sistemas tradicionais, mas também oferece vantagens em portabilidade, demonstrando seu potencial de integração com plataformas robóticas para processamento de superfícies 3D. Este estudo contribui com conhecimento prático sobre o design de sistemas DLIP e destaca sua versatilidade para aplicações avançadas em engenharia de superfícies.

Direct Laser Interference Patterning (DLIP) is an efficient technique for fabricating periodic micro- and nanostructures on material surfaces, offering significant functional and economic advantages in fields such as tribology, healthcare, photovoltaics, and decorative applications. Despite DLIP’s wide application potential, detailed documentation regarding the design, calibration, and assembly of DLIP systems remains limited in the published literature. This study presents the development and characterization of four distinct DLIP optical configurations, providing a comprehensive explanation of the technical decisions behind each design. The development process involved optical modeling, prism angle calculations for beam parallelization, and calibration strategies. The performance of the developed setups was validated through a series of surface texturing experiments, demonstrating functionalizations such as superhydrophobicity, diffraction-based structural color effects, and anti-soiling capabilities. The project includes the development of a novel compact setup designed to offer flexible periodicity control with one-tenth the size of conventional commercial systems. Experiments confirm that the compact DLIP setup not only matches the functional versatility of traditional systems but also offers advantages in portability, demonstrating its potential integration with robotic platforms for 3D surface processing. This study contributes to practical knowledge on DLIP setup design and highlights its versatility for advanced surface engineering.