CN105397282A - 一种基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法及装置 - Google Patents

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黄志刚
李洪辉
印四华
杨青天
郭钟宁
杨洋
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring

Abstract

本发明公开了一种基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法，包括将基材放置于由靶材颗粒组成的悬浊液中；激光通过可移动透镜进行调节，然后经过聚焦透镜将激光进行聚焦；激光束入射到X扫描镜和Y扫描镜上，使用控制系统控制X振镜和Y振镜的运动，进而控制X扫描镜和Y扫描镜的反射角度；激光诱导产生的冲击波以及高速微射流，推动微细颗粒冲击植入基材。本发明采用了振镜技术，控制激光焦点按照特定的运动轨迹和扫描速度，在基材需要植入微细颗粒的表面进行扫描运动，悬浊液不断提供植入所需要的靶材，保证了连续微结构的均匀性；振镜快速移动激光焦点，保证了前后两次植入的周围环境一直处于稳定状态。本发明还公开了上述方法的装置。

Description

一种基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法及装置
技术领域
本发明涉及表面微细结构加工、激光植入的技术领域，尤其涉及一种基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法及装置。
背景技术
微电路是指具有高密度等效电路元件和（或）部件，并可作为独立件的微电子器件。微机电系统(MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产这几个特点。在电子、医学、工业、汽车和航空航天系统方面有着广泛的应用前景。微流控系统，又称微流控分析芯片、微全分析系统(μTAS)或芯片实验室，利用微细加工技术将微通道、微泵、微阀、微反应器、微传感器、微检测器等各种功能单元集成在一块微芯片上，通过控制溶液在其中的流动，来完成生物和化学等领域所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、生化分析等功能的微型分析系统。在生物分析、微量化学分析与检测，微电子设备冷却，微小卫星仪态调整，便携式燃料电池等领域均展现了良好的应用前景。
连续微结构、特别是连续金属微结构，在微电路、微细电子元器件、微流控和微机电系统等领域具有重要的应用意义，近年来人们越来越关注激光诱导向前转移制备金属连续微结构的方法。Jacob（JamesA.Grant-Jacob，BenjaminMills，MatthiasFeinaeugleetal.Micron-scalecopperwiresprintedusingfemtosecondlaser-inducedforwardtransferwithautomateddonorreplenishment.OpticalMaterialsExpress，2013，3(6):747-754.）等提出了一种“自动靶材补给技术”，结合“激光诱导向前转移技术”制备连续金属微线。在激光脉冲熔融并抛出靶材微团的同时，不断移动靶材，使后续激光脉冲辐照于新的靶材区域上，并使后续抛出的微团不断堆叠沉积，形成连续微线，如图1所示，他们利用这种方法成功在硅基片上制备了数十微米宽、长达数毫米的微铜线。
为了改善连续结构沉积的均匀性，有学者对液态靶材向前转移技术进行了研究，“液态靶材向前转移技术”在透明约束层上涂覆数十微米的液态靶材层，如颗粒悬浊液、高分子溶液、胶体和生物流体等，为了吸收激光能量，液态靶材之上往往需要制备吸收层（牺牲层）（如图2（a）），或者在靶材内添加光能吸收材料，以吸收激光能量，提供抛出靶材所需的推动力。采用牺牲层的另一个好处是，可以保护液态靶材，减少激光的热作用影响。Florian（C.Floriana，F.Caballero-Lucasa，J.M.Fernandez-Pradasaetal.Conductivesilverinkprintingthroughthelaser-inducedforwardtransfertechnique.AppliedSurfaceScience，2015，inpress.）等研究了银墨水的激光诱导向前转移，用以在基片上沉积微细导线，实验发现通过液滴重复堆叠所获得的连续微线，相比固体靶材沉积得到的微线，其均匀性更好，微观形貌也更为光滑（图2（b））。
激光作用的时间约为毫秒级别，在连续微结构的制备中，需要采用堆叠的方法，反复进行植入处理，毫秒级的时间间隔仍然比较长，这使得“自动靶材补给技术”和“液态靶材向前转移技术”处理效率较低，并且“自动靶材补给技术”和“液态靶材向前转移技术”都是使用单一光路进行植入，没有类似的使用振镜同时植入的方案。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明解决的技术问题是提出一种双光路进行植入的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法及装置，控制激光光束以特定的运动轨迹和扫描速度，快速移动激光焦点，在需要植入微细颗粒的基材表面进行扫描运动，提高大面积连续微结构的植入效率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法，包括以下步骤：
S1：将基材放置于由靶材颗粒组成的悬浊液中；
S2：激光通过可移动透镜进行调节，然后经过聚焦透镜将激光进行聚焦；
S3：激光束入射到X扫描镜和Y扫描镜上；
S4：使用控制系统控制X振镜和Y振镜的运动，进而控制X扫描镜和Y扫描镜的反射角度；
S5：X扫描镜和Y扫描镜可分别沿X、Y轴扫描，实现激光焦点按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在基材的表面进行扫描运动，使激光焦点扫描到基材全部待加工的表面；
S6：当聚焦的激光能量大于悬浊液的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波；
S7：等离子体消失后诱导产生的空化泡溃灭时也对外辐射出冲击波；
S8：空化泡与基材表面相互作用产生高速微射流；
S9：诱导产生的冲击波以及高速微射流，推动微细颗粒冲击植入基材。
为了解决上述技术问题，实施本发明的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法的装置包括激光器、可移动透镜、聚焦透镜、X扫描镜和Y扫描镜、X振镜和Y振镜、以及控制系统，所述控制系统控制X振镜和Y振镜的运动，进而控制X扫描镜和Y扫描镜的反射角度，激光器产生的激光通过所述可移动透镜进行调节，然后经过聚焦透镜将激光进行聚焦，聚焦后的激光经X扫描镜和Y扫描镜反射到放置于由靶材颗粒组成的悬浊液中的基材的表面上。
本发明实施例提供的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法和装置中，控制激光光束以特定的运动轨迹和扫描速度，快速移动激光焦点，在需要植入微细颗粒的基材表面进行扫描运动，提高大面积连续微结构的植入效率；本发明使用控制系统控制X振镜和Y振镜的运动，进而控制X扫描镜和Y扫描镜的反射角度，这两个扫描镜可分别沿X、Y轴扫描，从而实现激光焦点按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在基材的表面进行扫描运动，使用两个光路进行植入，保证前后两次植入周围的环境一直处于稳定状态，保证连续微结构的均匀性。本发明的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法使用振镜将激光反射于基材所需要设定的位置，相邻两次植入的区域可以相隔很大，前后两次植入的周围环境一直处于稳定状态，提高植入效率，保证连续微结构的均匀性。本发明采用了振镜技术，控制激光焦点按照特定的运动轨迹和扫描速度，在基材需要植入微细颗粒的表面进行扫描运动，所以提高了植入效率；悬浊液不断提供植入所需要的靶材，保证了连续微结构的均匀性；振镜快速移动激光焦点，保证了前后两次植入的周围环境一直处于稳定状态。
附图说明
图1a是基于自动靶材补给的激光诱导向前转移制备微铜线的自动靶材补给的原理图。
图1b是基于自动靶材补给的激光诱导向前转移制备微铜线在硅基片上沉积出的微细铜线的结构示意图。
图2a是液体材料的激光诱导向前转移的基本原理图。
图2b是采用纳米银颗粒墨水在玻璃基片上沉积出的连续微线结构示意图。
图3是本发明优选实施例提供的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图3，本发明优选实施例提供的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法及其实施该方法的装置的结构示意图，本发明采用扫描振镜控制激光焦点按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度，在基材需要植入微细颗粒的表面进行扫描运动，使激光焦点扫描到基材全部待加工的表面，快速移动激光焦点，进行多次植入，相邻两次植入的区域可以相隔很大。
本实施例的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法中，高能脉冲激光7由激光器产生，激光的能量和频率可调，激光通过可移动透镜6进行调节，然后经过聚焦透镜5将激光进行聚焦，激光7束入射到X扫描镜2和Y扫描镜4上，使用控制系统控制X振镜1和Y振镜3的运动，进而控制X扫描镜2和Y扫描镜4的反射角度，这两个扫描镜可分别沿X、Y轴扫描，从而实现激光焦点按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在基材8的表面进行扫描运动，使激光焦点扫描到基材8全部待加工的表面。其中，基材8及整套装置放于由靶材颗粒组成的悬浊液中，当聚焦的激光能量大于悬浊液的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波，等离子体消失后诱导产生的空化泡溃灭时也对外辐射出冲击波；空化泡与基材表面相互作用产生高速微射流，诱导产生的冲击波以及高速微射流，可推动微细颗粒冲击植入基材8。
本发明实施基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法的装置包括激光器、可移动透镜6、聚焦透镜5、X扫描镜2和Y扫描镜4、X振镜1和Y振镜3、以及控制系统，所述控制系统控制X振镜1和Y振镜3的运动，进而控制X扫描镜2和Y扫描镜4的反射角度，激光器产生的激光通过所述可移动透镜6进行调节，然后经过聚焦透镜5将激光进行聚焦，聚焦后的激光经X扫描镜2和Y扫描镜4反射到放置于由靶材颗粒组成的悬浊液中的基材8的表面上。
本发明实施例提供的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法和装置中，控制激光光束以特定的运动轨迹和扫描速度，快速移动激光焦点，在需要植入微细颗粒的基材表面进行扫描运动，提高大面积连续微结构的植入效率；本发明使用控制系统控制X振镜1和Y振镜3的运动，进而控制X扫描镜2和Y扫描镜4的反射角度，这两个扫描镜可分别沿X、Y轴扫描，从而实现激光焦点按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在基材8的表面进行扫描运动，使用两个光路进行植入，保证前后两次植入周围的环境一直处于稳定状态，保证连续微结构的均匀性。本发明的基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法使用振镜将激光反射于基材所需要设定的位置，相邻两次植入的区域可以相隔很大，前后两次植入的周围环境一直处于稳定状态，提高植入效率，保证连续微结构的均匀性。
本发明采用了振镜技术，控制激光焦点按照特定的运动轨迹和扫描速度，在基材需要植入微细颗粒的表面进行扫描运动，所以提高了植入效率；悬浊液不断提供植入所需要的靶材，保证了连续微结构的均匀性；振镜快速移动激光焦点，保证了前后两次植入的周围环境一直处于稳定状态。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于扫描振镜快速移动激光焦点的植入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将基材（8）放置于由靶材颗粒组成的悬浊液中；
S2：激光（7）通过可移动透镜（6）进行调节，然后经过聚焦透镜（5）将激光进行聚焦；
S3：激光(7)束入射到X扫描镜(2)和Y扫描镜(4)上；
S4：使用控制系统控制X振镜（1）和Y振镜（3）的运动，进而控制X扫描镜(2)和Y扫描镜(4)的反射角度；
S5：X扫描镜(2)和Y扫描镜(4)可分别沿X、Y轴扫描，实现激光焦点按照特定的运动轨迹，以特定的扫描速度在基材（8）的表面进行扫描运动，使激光焦点扫描到基材（8）全部待加工的表面；
S6：当聚焦的激光能量大于悬浊液的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波；
S7：等离子体消失后诱导产生的空化泡溃灭时也对外辐射出冲击波；
S8：空化泡与基材表面相互作用产生高速微射流；
S9：诱导产生的冲击波以及高速微射流，推动微细颗粒冲击植入基材（8）。
2.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括激光器、可移动透镜（6）、聚焦透镜（5）、X扫描镜(2)和Y扫描镜(4)、X振镜（1）和Y振镜（3）、以及控制系统，所述控制系统控制X振镜（1）和Y振镜（3）的运动，进而控制X扫描镜(2)和Y扫描镜(4)的反射角度，激光器产生的激光通过所述可移动透镜（6）进行调节，然后经过聚焦透镜（5）将激光进行聚焦，聚焦后的激光经X扫描镜(2)和Y扫描镜(4)反射到放置于由靶材颗粒组成的悬浊液中的基材（8）的表面上。
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