CN102092931A

CN102092931A - 一种在玻璃材料中制作微通道的方法及装置

Info

Publication number: CN102092931A
Application number: CN 201010562248
Authority: CN
Inventors: 蔡志祥; 曾晓雁; 段军; 胡乾午
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: CN102092931B

Abstract

本发明公开了一种在玻璃材料中制作微通道的方法及装置，方法为：①将待刻写的待加工玻璃材料置于超声波环境中，并使玻璃下表面浸没在洁净的水中，玻璃上表面裸露在空气中；②将由纳秒激光器发出的激光通过聚焦镜聚焦，聚焦的纳秒激光脉冲垂直待刻写的待加工玻璃材料的上表面入射，纳秒激光脉冲的焦点位于待加工玻璃材料下表面；③按预先设定的扫描路径从底往上移动由纳秒激光器发出的激光束，直至在玻璃内部直写出三维微通道。该装置包括三维平台、超声波清洗机、支架和聚集镜。工作时，超声波清洗机固定在三维平台上；待加工玻璃材料通过支架放置于超声波清洗机腔体内，聚集镜固定在三维平台的垂直轴上。本发明克服了现有技术存在的生产效率低、成本高和深宽比受限等缺点。

Description

一种在玻璃材料中制作微通道的方法及装置

技术领域

本发明涉及纳秒激光加工，特别是一种利用超声波水辅助纳秒激光在玻璃材料中制备三维微通道的方法及装置，本发明适用于在各种玻璃材料内部制备微纳流体器件。

背景技术

以微管道网络为结构特征的微流控芯片是当前十分活跃的研究领域，在化学分析、材料合成及细胞培养等领域都得到了应用。玻璃以其稳定的上表面性质、好的透光性及弱的荧光背景成为普遍使用的微流控芯片材料。目前玻璃芯片的加工主要基于光刻和湿法腐蚀，即利用光刻技术在牺牲层制作图案窗口，继而使用化学腐蚀溶液进行腐蚀加工。对于三维立体微通道的制备，还需要一系列诸如层叠和熔接等复杂的步骤。该方法所涉及的光刻步骤需要昂贵的仪器和超净室以及繁琐的步骤，不利于在普通实验室中推广；而且由于玻璃属于各向同性材料，通过该方法成型的微通道通常具有较小的深宽比(最大0.5左右)，这大大限制了玻璃的应用范围。

飞秒激光是一种脉宽极窄(10^-15s)、峰值功率极高的超短脉冲激光。与长脉冲激光加工相比，飞秒激光加工精度高、热影响区域小，而且还能加工透明材料。利用飞秒激光微加工技术有望克服上述传统加工技术所面临的各种困难，直接在玻璃材料内部加工出真正的三维微通道。近年来，该技术引起了广泛的重视，并得到飞速发展。采用飞秒激光辐照辅以高温热处理或选择性HF酸腐蚀的制备技术目前已在玻璃材料内部加工出长度为数厘米、深宽比高达1000的三维微通道(参见文献：Y.Liao，Y.F.Ju，L.Zhang，et al.，Optics Letters，Vol.35，No.19，P3225，2010和F.He，Y.Cheng，Z.Z.Xu，et al.，Optics Letters，Vol.35，No.3，P282，2010)。但是该技术生产效率低，飞秒激光直写加工速度只有数十μm/s，而且飞秒激光器价格昂贵，难以大规模工业化生产。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述微通道制备技术所存在的生产效率低、成本高和深宽比受限等缺点，提供一种在玻璃材料中制作微通道的方法及装置。

本发明提供的一种在玻璃材料中制作微通道的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

①将待刻写的待加工玻璃材料置于超声波环境中，并使玻璃下表面浸没在洁净的水中，玻璃上表面裸露在空气中；

②将由纳秒激光器发出的激光通过数值孔径NA为0.25～0.7的聚焦镜聚焦，聚焦的纳秒激光脉冲垂直待刻写的待加工玻璃材料的上表面入射，纳秒激光脉冲的焦点位于待加工玻璃材料下表面；

③按预先设定的扫描路径从底往上移动由纳秒激光器发出的激光束，直至在玻璃内部直写出三维微通道；所述的纳秒激光的参数为：脉宽5～30ns，波长355～1064nm，脉冲频率1～100KHz，脉冲能量1～10mJ。

实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括三维平台、超声波清洗机、支架和聚集镜；超声波清洗机在工作时固定在三维平台的水平工作台上，用于安放待加工玻璃材料的支架放置于超声波清洗机的腔体内；聚集镜固定在三维平台的垂直轴上，并位于支架的上方。

与现有的技术相比较，本发明的优点在于：

1、与传统的光刻、化学腐蚀等表面微加工技术相比，水辅助纳秒激光制备微通道的优势在于：该技术不需要设计专门的光刻模板，不需要化学处理过程，后期不需要层叠和熔接等工序，直接在玻璃内部加工出三维微通道。

2、与飞秒激光微加工技术相比，所采用的纳秒激光器成本要低得多，而且加工速度快，直写速度可达到100mm/s，适合工业化应用；

3、通过控制激光光斑大小以及编程控制工作台的直写速度和距离，可以制备任意深宽比的微通道，通道的直径最小可达到4μm；

4、有水辅助，超声波加强，通道的内壁光洁度高；

5、激光从待加工玻璃材料下表面开始加工，飞溅物和等离子体不影响入射激光照射，可以保证通道的纵向形貌均一(通道入口、内部及出口尺寸高度一致)以及加工重复性。

附图说明

图1为本发明所使用的超声波水辅助纳秒激光刻写装置的示意图；

图2为本发明利用超声波水辅助纳秒激光在玻璃中制备三维微通道的加工示意图。

图中，1为三维平台，2为照明光源，3为超声波清洗机，4为支架，5为纳秒激光束，6为聚集镜，7为待加工玻璃材料，8为洁净的水，9为镜头，10为CCD相机，11为超声波发生器，12为微通道，13为飞溅物。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是：

一种在玻璃材料中制作微通道的方法，其步骤为：

将待加工玻璃材料下表面浸没在洁净的水(最好采用蒸馏水)中是因为当待加工玻璃材料与水接触，由于毛细管现象，水能流进激光刻写的微通道，带走刻写时产生的玻璃碎屑和等离子体，从而避免材料的再沉积和阻塞，保证微通道管壁整洁通畅。

利用超声波清洗提高加工质量，获得高深宽比的微通道。激光刻蚀玻璃时与水接触会产生很强的等离子体扩张，从而产生很多水泡粘附在通道管壁上，如果不及时消除会阻碍甚至终止激光刻蚀玻璃。玻璃是超声波很好的导体，在水容器中很容易与超声波耦合，从而可借助超声波来消除管壁上的水泡。具体原理是超声波使水分子振动产生无数微小气泡，这些微小气泡在正压区迅速闭合而瞬间高压爆破，形成无数微观高压冲击波作用于通道管壁上，从而推动管壁上的水泡向管口移动，直至消失。

选用高脉冲能量的纳秒激光直写，并用高数值孔径的聚焦镜，目的是在微小区域获得高的能量密度。聚焦后纳秒激光的焦点附近具有超高电场强度，只要该值超过玻璃材料的破坏阈值，即使玻璃材料本身在激光波长处不存在本征吸收，也会因激光诱导的多光子吸收、多光子离子化等非线性反应，而导致玻璃材料的烧蚀。聚焦镜的数值孔径选择根据所要制备的三维微通道结构以及尺寸要求而定。

③按设定的扫描路径从底往上移动由纳秒激光器发出的激光束，直至在玻璃内部直写出三维微通道。所述的纳秒激光的参数为：脉宽5～30ns，波长355～1064nm，脉冲频率1～100KHz，脉冲能量1～10mJ。

将纳秒激光聚焦到待加工玻璃材料的下表面从底往上扫描，这样做的目的是避免了激光与材料作用产生的等离子体对加工过程的影响以及裂纹的产生，保证了重复加工的一致性。

为了定位，在纳秒激光入射到待加工玻璃材料下表面时，可以采用CCD相机监测纳秒激光焦点在待刻写玻璃材料下表面的位置。

所述的待加工玻璃材料材料包括石英玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和氟化物玻璃。

如图1所示，本发明提供的装置包括三维平台1、超声波清洗机3、支架4和聚集镜6；

工作时，超声波清洗机3固定在三维平台1的水平工作台上。超声波清洗机3的腔体内装有洁净的水8，超声波发生器11安置在超声波清洗机3底部，待加工玻璃材料7通过支架4放置于腔体内，并使待加工玻璃材料7的下表面浸没在洁净的水8中，上表面裸露在空气中，纳秒激光束5通过聚集镜6聚集于待加工玻璃材料7的下表面。聚集镜6固定在三维平台1的垂直轴上。

聚集镜6通常采用数值孔径NA为0.25～0.7的显微镜物镜。超声波清洗机的功率范围为5～50W，超声频率为20～60KHz。本发明装置还可以增设用于定位的CCD相机10和照明光源2，两者分别位于待加工玻璃材料7的两侧。

下面通过实施例对本发明作进一步说明，以便于对本发明及其要点的理解，但不应以此限制本发明的保护范围。

实例1：

现已硅酸盐玻璃为例来说明本发明方法，由图1、2可见，本发明利用超声波水辅助纳秒激光制备三维微通道的方法如下：

(1)将盛有蒸馏水的超声波清洗机固定在三维平台1的水平工作台上，超声波清洗机3机身为透明材质，功率为50W，频率20KHz。

(2)将硅酸盐待加工玻璃材料(尺寸为13mm×5mm×2mm)固定在超声波清洗机中的支架4上，待加工玻璃材料7下表面浸没在蒸馏水中，上表面裸露在空气中，同时将CCD相机10连接到计算机上以便定位和实时观察加工过程；

(3)采用中心波长为1064nm、脉冲宽度为6ns、重复频率为40kHz、脉冲能量可达4mJ的纳秒激光作为刻写激光束，调整好能量的纳秒激光束5由显微镜物镜(NA＝0.45，工作距离为19.5mm)聚焦，聚焦的纳秒激光束垂直入射到玻璃7的上表面，由CCD相机10监测光斑在玻璃内的定位，通过调节移动平台使纳秒激光束的焦点达到石英玻璃下表面上。聚焦后的光斑直径为8μm；CCD相机10为高速相机，帧速率为1000帧/秒，配5×镜头9。

(4)开启超声波清洗机电源，打开激光光闸，通过控制移动平台按预设三维移动路径从底往上移动从而带动样品相对于激光焦点移动(如图2所示)，直至三维微通道结构形成。样品中被激光聚焦照射的地方会被烧蚀，形成通道12，飞溅物13从底部飞出并融入水中。三维平台的移动速度为200μm/s，加工后的微通道直径约为10μm，深度为2000μm，深宽比为200。

实例2-4：

实例2-4采用表一中的器件和工艺参数，按照实例1相同的工作过程进行，加工后的微通道参数如表二所示。

表一实例2-4所采用的工艺参数

表二加工后的微通道参数

本发明方法适用于各种玻璃材料内部制备三维微通道，只要对纳秒激光加工参数进行适当的选取即可。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种在玻璃材料中制作微通道的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

2.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，该装置包括三维平台、超声波清洗机、支架和聚集镜；超声波清洗机在工作时固定在三维平台的水平工作台上，用于安放待加工玻璃材料的支架放置于超声波清洗机的腔体内；聚集镜固定在三维平台的垂直轴上，并位于支架的上方。

3.根据权利要求2述的装置，其特征在于，该装置还包括CCD相机和照明光源，两者分别位于待加工玻璃材料的两侧。