CN104591549A - 一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明1)通过脉冲整形方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光脉冲序列；且两个子脉冲之间的时间间隔范围为50fs～2ps，两个子脉冲能量之比的范围为0.2～5；2)将1)所得的飞秒激光脉冲序列聚焦到玻璃材料表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃表面扫描出所需的微阵列排布图案；3)将2)所得的带有扫描微阵列图案的玻璃材料浸入浓度为1％-10％的氢氟酸溶液中，扫描的微阵列图案区与氢氟酸溶液反应，形成凹陷的微阵列结构。从而增强飞秒激光辐照区的改性程度，最终提高辐照区的刻蚀效率。

Description

一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法
技术领域
本发明涉及一种利用飞秒激光脉冲序列对玻璃辐照改性，进而提高改性区域化学酸蚀效率的方法，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
玻璃作为一种光学性质良好的透明介质，是广泛应用于微流体器件的基底材料，在基底上加工的微阵列结构可以控制流体的流态，具有很高的应用价值。
飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光。与传统激光相比，飞秒激光具有脉冲持续时间极短(可以获得很好的时间分辨率)、脉冲峰值功率极高(瞬间功率可达百万亿瓦)、能够避免热效应和冲击波、精确的靶向聚焦定位等特点，被广泛应用于材料微纳加工领域。目前利用飞秒激光在玻璃材料上加工微结构主要有两种方法：一种是直接用飞秒激光烧蚀加工；另一种是飞秒激光改性辅助化学刻蚀的加工方法。前一种方法的材料去除效率高，但是该方法加工出的微结构由于存在重铸等缺陷，缺乏良好的形貌可控性；第二种制备方法分为两个步骤：首先用聚焦的飞秒激光在玻璃材料上按照点阵的排布进行有规律的辐照，然后把辐照过的玻璃材料浸入一定浓度的氢氟酸溶液之中，激光辐照改性区的材料与氢氟酸溶液发生化学反应被去除，可以实现边缘平整且形貌可控的微阵列制备，但是该方法的缺点是辐照改性区在氢氟酸溶液中的刻蚀效率较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有飞秒激光改性辅助化学刻蚀的加工方法存在刻蚀效率较低的问题，提供一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法。
本发明的目的是通过以下技术来实现的。
一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，具体步骤如下：
步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光脉冲序列；且两个子脉冲之间的时间间隔范围为50fs～2ps，两个子脉冲能量之比的范围为0.2～5。
步骤二、将步骤一所得的飞秒激光脉冲序列聚焦到玻璃材料表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃表面扫描出所需的微阵列排布图案。
步骤三、将步骤二所得的带有扫描微阵列图案的玻璃材料浸入浓度为1％-10％的氢氟酸溶液中，扫描的微阵列图案区与氢氟酸溶液反应，形成凹陷的微阵列结构。
采用飞秒激光脉冲序列改性刻蚀，在脉冲序列总能量及子脉冲时间间隔固定的条件下，通过调节两个子脉冲的能量比例，可以调控刻蚀效率；当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值；
采用飞秒激光脉冲序列改性刻蚀，在脉冲序列总能量及子脉冲能量比例固定的条件下，子脉冲间隔为350fs时，刻蚀效率取得最大值。
一种实现飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列方法的装置，包括：飞秒激光器，半波片，偏振片，脉冲整形器，机械开关，分束镜，聚焦物镜，待加工样品，六维精密电控平移台，白光照明光源，反射镜，聚焦透镜，CCD监控成像单元，计算机；连接关系：飞秒激光器发出的激光光束经过半波片和偏振片，能量被衰减，进入脉冲整形器进行脉冲整形，然后经过机械开关再被分束镜反射，经聚焦物镜聚焦到位于六维精密电控平移台上的待加工样品上。位于平台下方的白光照明光源发出的照明光透过六维精密电控平台照射到待加工样品，并经过分束镜后，被反射镜反射，经聚焦透镜进入CCD监控成像单元。其中飞秒激光器、脉冲整形器、机械开关、六维精密电控平移台和CCD监控成像单元均被计算机控制。
有益效果
1、本发明的一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，在相同的实验条件下，采用飞秒激光脉冲序列对玻璃材料辐照改性，改性区的刻蚀效率可以比采用传统的飞秒激光脉冲提高37倍。
2、本发明的一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，可以提高玻璃湿法刻蚀的刻蚀效率，主要是由于采用飞秒激光脉冲序列技术，调控辐照材料局部瞬时电子状态，在很大程度上促进了激光辐照区域的材料改性。
3、本发明的一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，属于飞秒激光应用领域，适用于批量化加工，若技术成熟且应用于生产，将会产生巨大的经济效益。
附图说明
图1为飞秒激光脉冲序列加工光路示意图。
其中，1为飞秒激光器；2为半波片；3为偏振片；4为脉冲整形器；5为机械开关；6为分束镜；7为聚焦物镜；8为待加工样品；9为六维精密电控平移台；10为白光照明光源；11为反射镜；12为聚焦透镜；13为CCD监控成像单元；14为计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍
采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为1kHz，线偏振。
实施例1
一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，具体步骤如下：
步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光脉冲序列；且两个子脉冲之间的时间间隔为150fs，两个子脉冲能量之比为5:1。
步骤二、将步骤一所得的飞秒激光脉冲序列聚焦到熔融石英玻璃表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃表面扫描出点间距为30μm的点状微阵列。
步骤三、将步骤二所得的带有扫描微阵列图案的熔融石英玻璃浸入浓度为8％的氢氟酸溶液中，扫描的微阵列图案区与氢氟酸溶液反应，形成凹陷的微阵列结构。
一种实现飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列方法的装置，包括：包括：飞秒激光器1，半波片2，偏振片3，脉冲整形器4，机械开关5，分束镜6，聚焦物镜7，待加工样品8，六维精密电控平移台9，白光照明光源10，反射镜11，聚焦透镜12，CCD监控成像单元13，计算机14；连接关系：飞秒激光器1发出的激光光束经过半波片2和偏振片3，能量被衰减，进入脉冲整形器4进行脉冲整形，然后经过机械开关5再被分束镜6反射，经聚焦物镜7聚焦到位于六维精密电控平移台9上的待加工样品8上。位于平台下方的白光照明光源10发出的照明光透过六维精密电控平台9照射到待加工样品8，并经过分束镜6后，被反射镜11反射，经聚焦透镜12进入CCD监控成像单元13。其中飞秒激光器1、脉冲整形器4、机械开关5、六维精密电控平移台9和CCD监控成像单元13均被计算机14控制。
加工光路示意图如附图1所示，具体加工过程如下：
(1)将脉冲整形器参数中脉冲序列子脉冲个数调整为2，即此时利用飞秒激光双脉冲序列辐照样品，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；
(2)将脉冲整形器参数中子脉冲时间间隔调整为150fs，子脉冲脉冲能量比设置为5:1；
(3)通过调整半波片2和偏振片3，把飞秒激光脉冲序列两个子脉冲的总能量调整为0.91μJ；由于光斑直径约为4μm，总能量密度约为7.2J/cm2。
(4)计算机控制平移台以400μm/s的速度相对激光焦点运动，将飞秒激光器调整为单点模式，在样品上加工出点间隔为30μm的点阵改性区；
(5)把辐照后的样品浸入浓度为8％的氢氟酸溶液中1.5个小时，激光扫描改性区与氢氟酸反应，形成中空的微孔结构.
加工结果：
经扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)表征，加工后的微结构形貌规整，边缘平滑，质量精度较高。通过计算，该实施例所获得的刻蚀效率约为46.7μm3/h。在相同条件下，采用激光能量密度相同的飞秒激光单脉冲加工后，刻蚀效率约为11.3μm3/h。经计算，该实施例相比于飞秒激光单脉冲的加工方法，酸蚀效率提高了4倍。
实施例2
一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，具体步骤如下：
步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光脉冲序列；且两个子脉冲之间的时间间隔为350fs，两个子脉冲能量之比为1:1。
步骤二、将步骤一所得的飞秒激光脉冲序列聚焦到熔融石英玻璃表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃表面扫描出点间距为30μm的点状微阵列。
步骤三、将步骤二所得的带有扫描微阵列图案的熔融石英玻璃浸入浓度为8％的氢氟酸溶液中，扫描的微阵列图案区与氢氟酸溶液反应，形成凹陷的微阵列结构。
一种实现飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列方法的装置，包括：包括：飞秒激光器1，半波片2，偏振片3，脉冲整形器4，机械开关5，分束镜6，聚焦物镜7，待加工样品8，六维精密电控平移台9，白光照明光源10，反射镜11，聚焦透镜12，CCD监控成像单元13，计算机14；连接关系：飞秒激光器1发出的激光光束经过半波片2和偏振片3，能量被衰减，进入脉冲整形器4进行脉冲整形，然后经过机械开关5再被分束镜6反射，经聚焦物镜7聚焦到位于六维精密电控平移台9上的待加工样品8上。位于平台下方的白光照明光源10发出的照明光透过六维精密电控平台9照射到待加工样品8，并经过分束镜6后，被反射镜11反射，经聚焦透镜12进入CCD监控成像单元13。其中飞秒激光器1、脉冲整形器4、机械开关5、六维精密电控平移台9和CCD监控成像单元13均被计算机14控制。加工光路示意图如附图1所示，具体加工过程如下：
(1)将脉冲整形器参数中脉冲序列子脉冲个数调整为2，即此时利用飞秒激光双脉冲序列辐照样品，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；
(2)将脉冲整形器参数中子脉冲时间间隔调整为350fs，子脉冲脉冲能量比设置为1:1；
(3)通过调整半波片2和偏振片3，把飞秒激光脉冲序列两个子脉冲的总能量调整为0.91μJ；由于光斑直径约为4μm，总能量密度约为7.2J/cm2。
(4)计算机控制平移台以400μm/s的速度相对激光焦点运动，将飞秒激光器调整为单点模式，在样品上加工出点间隔为30μm的点阵改性区；
(5)把辐照后的样品浸入浓度为8％的氢氟酸溶液中1.5个小时，激光扫描改性区与氢氟酸反应，形成中空的微孔结构。
加工结果：
经扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)表征，加工后的微结构形貌规整，边缘平滑，质量精度较高。通过计算，该实施例所获得的刻蚀效率约为418.3μm3/h。在相同条件下，采用激光能量密度相同的飞秒激光单脉冲加工后，刻蚀效率约为11.3μm3/h。经计算，该实施例相比于飞秒激光单脉冲的加工方法，酸蚀效率提高了37倍。
实施例3
一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，具体步骤如下：
步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光脉冲序列；且两个子脉冲之间的时间间隔为1ps，两个子脉冲能量之比为1:5。
步骤二、将步骤一所得的飞秒激光脉冲序列聚焦到熔融石英玻璃表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃表面扫描出点间距为30μm的点状微阵列。
步骤三、将步骤二所得的带有扫描微阵列图案的熔融石英玻璃浸入浓度为8％的氢氟酸溶液中，扫描的微阵列图案区与氢氟酸溶液反应，形成凹陷的微阵列结构。
一种实现飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列方法的装置，包括：包括：飞秒激光器1，半波片2，偏振片3，脉冲整形器4，机械开关5，分束镜6，聚焦物镜7，待加工样品8，六维精密电控平移台9，白光照明光源10，反射镜11，聚焦透镜12，CCD监控成像单元13，计算机14；连接关系：飞秒激光器1发出的激光光束经过半波片2和偏振片3，能量被衰减，进入脉冲整形器4进行脉冲整形，然后经过机械开关5再被分束镜6反射，经聚焦物镜7聚焦到位于六维精密电控平移台9上的待加工样品8上。位于平台下方的白光照明光源10发出的照明光透过六维精密电控平台9照射到待加工样品8，并经过分束镜6后，被反射镜11反射，经聚焦透镜12进入CCD监控成像单元13。其中飞秒激光器1、脉冲整形器4、机械开关5、六维精密电控平移台9和CCD监控成像单元13均被计算机14控制。加工光路示意图如附图1所示，具体加工过程如下：
(1)将脉冲整形器参数中脉冲序列子脉冲个数调整为2，即此时利用飞秒激光双脉冲序列辐照样品，调整光路，确保激光入射方向与所加工样品表面垂直；
(2)将脉冲整形器参数中子脉冲时间间隔调整为1ps，子脉冲脉冲能量比设置为1:5；
(3)通过调整半波片2和偏振片3，把飞秒激光脉冲序列两个子脉冲的总能量调整为0.91μJ；由于光斑直径约为4μm，总能量密度约为7.2J/cm2。
(4)计算机控制平移台以400μm/s的速度相对激光焦点运动，将飞秒激光器调整为单点模式，在样品上加工出点间隔为30μm的点阵改性区；
(5)把辐照后的样品浸入浓度为8％的氢氟酸溶液中1.5个小时，激光扫描改性区与氢氟酸反应，形成中空的微孔结构。
加工结果：
经扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)表征，加工后的微结构形貌规整，边缘平滑，质量精度较高。通过计算，该实施例所获得的刻蚀效率约为121.7μm3/h。在相同条件下，采用激光能量密度相同的飞秒激光单脉冲加工后，刻蚀效率约为11.3μm3/h。经计算，该实施例相比于飞秒激光单脉冲的加工方法，酸蚀效率提高了11倍。
由实施例1、2和3可见，在相同激光辐照能量密度、相同的氢氟酸浓度条件下，飞秒激光双脉冲辐照改性区的刻蚀效率比传统的飞秒激光脉冲提高了4～37倍。
由实施例1、2和3中采用不同参数的飞秒激光脉冲序列的加工结果可见，在相同的总能量下，通过调节两个子脉冲的时间间隔以及子脉冲能量比，可以调控化学湿法刻蚀的效率；且当飞秒激光脉冲序列的两个子脉冲时间间隔为350fs，子脉冲能量比为1:1时，刻蚀效率取得最大值。

Claims (4)

1.一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、通过脉冲整形的基本方法，把传统的飞秒激光在时域上调制为包含两个子脉冲的飞秒激光脉冲序列；且两个子脉冲之间的时间间隔范围为50fs～2ps，两个子脉冲能量之比的范围为0.2～5；
步骤二、将步骤一所得的飞秒激光脉冲序列聚焦到玻璃材料表面，通过玻璃材料与激光焦点的相对运动，在玻璃表面扫描出所需的微阵列排布图案；
步骤三、将步骤二所得的带有扫描微阵列图案的玻璃材料浸入浓度为1％-10％的氢氟酸溶液中，扫描的微阵列图案区与氢氟酸溶液反应，形成凹陷的微阵列结构。
2.如权利要求1所述的一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，其特征在于：在所述脉冲序列总能量及子脉冲时间间隔固定的条件下，通过调节两个子脉冲的能量比例，可以调控刻蚀效率；当两个子脉冲能量相同时，刻蚀效率取得最大值。
3.如权利要求1所述的一种用飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列的方法，其特征在于：在所述脉冲序列总能量及子脉冲能量比例固定的条件下，子脉冲间隔为350fs时，刻蚀效率取得最大值。
4.一种实现如权利要求1所述的飞秒激光脉冲序列在玻璃表面加工微阵列方法的装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)，半波片(2)，偏振片(3)，脉冲整形器(4)，机械开关(5)，分束镜(6)，聚焦物镜(7)，待加工样品(8)，六维精密电控平移台(9)，白光照明光源(10)，反射镜(11)，聚焦透镜(12)，CCD监控成像单元(13)，计算机(14)；连接关系：飞秒激光器(1)发出的激光光束经过半波片(2)和偏振片(3)，能量被衰减，进入脉冲整形器(4)进行脉冲整形，然后经过机械开关(5)再被分束镜(6)反射，经聚焦物镜(7)聚焦到位于六维精密电控平移台(9)上的待加工样品(8)上；位于平台下方的白光照明光源(10)发出的照明光透过六维精密电控平台(9)照射到待加工样品(8)，并经过分束镜(6)后，被反射镜(11)反射，经聚焦透镜(12)进入CCD监控成像单元(13)；其中飞秒激光器(1)、脉冲整形器(4)、机械开关(5)、六维精密电控平移台(9)和CCD监控成像单元(13)均被计算机(14)控制。
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