CN112756819B - 一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞秒激光应用技术领域，涉及一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法。本发明系统由交变电场电路系统与飞秒激光光路系统组成，包括飞秒激光器，光学元件，电压板，交流电源，变频器与纳米平移台等；本发明的微通道加工方法利用高频交变电流实现周期性变化的外加电场，使飞秒激光加工过程中的带电烧蚀产物在周期性高频交变电场的作用下进行相应频率的小幅度往复振动，或是使烧蚀产物极化后出现电荷不均匀导致受力不平衡出现往复振荡，实现加工产物的解离与碎片化，进而带动气泡等电中性烧蚀产物的振动解离过程。该方法可以有效地解决碎屑，残渣，气泡等烧蚀产物的排出，解决缺陷或光场波动带来的质量问题，同时避免引起样品的振动，得到高质量的高深径比微通道结构。

Description

一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法

技术领域

本发明属于飞秒激光应用技术领域，涉及一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法。

背景技术

微通道结构在生物化学分析、药物研究、细胞培养筛选等领域发挥着不可替代的作用。出于这些领域各自的需求，微通道的质量、深径比等特征在应用中极为重要。这些领域的研究往往要求微通道的质量极高，且直径在数十微米乃至数微米量级，对深度也有数百微米以上的需求。许多方法如传统的机械加工、电化学加工、离子束电子束加工都难以满足这些最基本的需求。在这种高质量、高深径比的制造需求驱使下，飞秒激光作为一种新兴的加工技术，在加工微通道结构方面展现出了非常大的优势。

利用飞秒激光加工微通道有三种普遍被采用的方法：

一是直接烧蚀微通道结构，通过飞秒激光直接去除材料实现微通道的制备，所得结果往往质量较差，深度受物镜数值孔径、激光原有的时间空间分布限制，深径比一般在20-30左右。

二是飞秒激光辅助化学刻蚀微通道，通过飞秒激光预先对材料进行结构与性质上的处理，然后通过合适的化学刻蚀试剂对改性后的结构进行反应刻蚀，实现微通道的制备，虽然可以得到深径比较高，质量较好的结果，但过程较为复杂，刻蚀程度难以控制，且刻蚀液往往为强酸强碱，不安全的同时对环境污染较大。

三是飞秒激光诱导背向湿法刻蚀技术，原理是通过将被加工材料安置在液体环境中，使飞秒激光聚焦在材料底部自下而上在溶液中实现材料的逐步烧蚀去除，令加工产生的碎屑被液体溶解后带离加工区域，最终形成所需要的微通道结构。该种方法也可得到深径比较高，质量较好的微通道结构，且液体环境往往为去离子水、常见盐溶液或是某些醇剂，腐蚀性小。但该种方法在微通道深度达到一定值，或是微通道直径小到某种程度时，由于加工产生的碎屑、残渣、气泡会团聚在一起形成体积较大的烧蚀产物，堵住已经加工形成的微通道，影响液体的进入以及后续激光能量的沉积，最终导致微通道结构加工的停止。同时，材料本身存在的一些缺陷或是加工过程中光场的偶然波动也会对微通道的加工过程产生一定的影响，导致加工质量变差，在孔壁上出现残渣、等残留物

如何解决飞秒激光诱导背向湿法刻蚀技术中的碎屑堵孔难题对高质量的微通道加工意义重大，有研究或是专利提出了利用超声振动实现液体环境的振动，进而带动已成形微通道结构中的碎屑、残渣与气泡的振动，实现这些大型烧蚀产物的碎片化与解离，进而以小型烧蚀产物的形式随着液体环境进行更新，不阻碍微通道烧蚀的进一步进行。然而，在超声辅助飞秒激光诱导背向湿法刻蚀微通道的过程中，由于引入了超声振动，本质上是一种机械振动，与液体环境的接触不可避免的会导致加工材料随着该振动进行一定频率、振幅的轻微抖动，会影响微通道的加工质量，使一致性(直线型微通道的直线度，曲线型微通道的圆度等)变差，更严重的可能会由于振幅过大导致微通道加工的提前中止，极大地影响加工结构的深径比。

因此，如何在不影响微通道加工过程中待加工样品/材料振动情况的同时，使碎屑、残渣、气泡等烧蚀产物顺利排出，并解决缺陷或光场波动带来的质量问题，是提高微通道质量与深径比的关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法，利用交变电流实现周期性变化的外加电场，使飞秒激光加工过程中的带电烧蚀产物在周期性高频交变电场的作用下进行相应频率的小幅度往复振动，实现解离与碎片化，进而带动电中性烧蚀产物的振动解离过程(或是通过电场对烧蚀产物的局部离化作用实现电荷不均匀分布，再在交变电场作用下实现往复振荡过程)。通过上述几种机制解决现有飞秒激光诱导背向湿法刻蚀技术加工微通道时存在的几个问题，以实现更高质量与更高深径比的微通道加工。

本发明提出的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统，包括飞秒激光加工微通道的光路系统和交变电场的电路系统，包括飞秒激光器、二分之一波片、偏振分束镜、快门、超快反射镜、水浸物镜、液体容器、加工液体环境、待加工样品、夹具、电压板、纳米移动台、交变电源、变频器和计算机；所述的飞秒激光器、二分之一波片、偏振分束镜、快门、超快反射镜和水浸物镜组成飞秒激光加工的光学系统；所述的电压板、纳米移动台、交变电源、变频器和计算机组成交变电场的电路系统，待加工样品置于液体容器的加工液体环境中，液体容器置于纳米移动台上，电压板设置在液体容器的两侧，电压板依次与交变电源、变频器和计算机相连。

本发明提出的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法，包括以下步骤：

(1)搭建一个交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统，该光路系统由飞秒激光器、二分之一波片、偏振分束镜、快门、超快反射镜、水浸物镜、液体容器、加工液体环境、夹具和纳米移动台组成，电路系统由电压板、交变电源以及变频器组成，通过计算机对两个系统进行控制；

(2)清洗待加工样品，测定待加工样品的厚度，将待加工样品固定于纳米平移台上方的液体容器中，使待加工样品的底部与液体容器的底部之间具有高度为h的空隙；

(3)控制纳米平移台，将飞秒激光焦点与待加工样品的上表面对齐后，通过纳米平移台的移动，使待加工样品上移距离D，D＝液体折射率n×待加工样品厚度L÷待加工样品折射率n’，再向上移动距离d，以确保待加工样品加入液体后激光焦点位于待加工样品下方；

(4)通过二分之一波片与偏振分束镜控制激光单脉冲的能量，通过计算器控制激光脉冲的重复频率，打开交变电源的开关，调节电压强度与交变频率，输出交变电场，打开快门，通过计算机控制纳米平移台的移动速度，使纳米平移台缓慢下降，通过激光焦点与待加工样品的相对移动，实现微通道结构的直写。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(1)中，待加工样品下方留出的空隙高度h为10-30mm。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(2)中的液体环境中的液体为水、乙醇或氯化钾盐溶液。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(3)中，距离d为10-20μm。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(4)中，输出的交变电场电压为50-2000V，交变频率为10KHz-500KHz，输出的飞秒激光单脉冲能量为1μJ-20μJ，飞秒激光重复频率为500Hz-1000Hz，纳米平移台的移动速度为0.4-2μm/s。

本发明提出的一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法，其优点在于：

1、本发明与已有的中的直流电场引起带电粒子单向移动的技术不同，通过外加交变电流产生的是一个交变电场，作用于飞秒激光诱导背向湿法刻蚀加工微通道过程中，使加工过程中带电的烧蚀产物在高频周期性交变电场的作用下，进行相应频率的来回往复小幅度振荡，在自我振动以及相互碰撞的过程中实现烧蚀产物的解离与碎片化，避免堵孔现象的发生，因此能够获得更高的微通道深径比。

2、本发明的微通道加工方法中，电中性烧蚀产物也可以实现解离与碎片化。一是在交变电场的极化作用下，具有一定形状的烧蚀产物会在尖端、凹陷等部位出现局部电荷分布不均匀，这种不均匀的电荷分布在外加交变电场作用下会导致该烧蚀产物出现振荡；二是通过已经碎片化的小体积带电烧蚀产物的大幅度往复振动撞击电中性产物(特别是气泡)，实现这些产物的解离与碎片化。

3、本发明方法中，材料中存在的初始缺陷或是加工过程中激光光场偶然的波动，会导致微通道壁出现一些缺陷，在本发明交变电场的作用下，这些缺陷更容易被反复振荡的碎片化烧蚀产物所填补(孔隙、裂纹)或是去除(突起，毛刺)，因此可以大大提高所得微通道结构的加工质量。

综上所述，本发明的微通道加工方法利用高频交变电流实现周期性变化的外加电场，使飞秒激光加工过程中的带电烧蚀产物在周期性高频交变电场的作用下进行相应频率的小幅度往复振动，或是使烧蚀产物极化后出现电荷不均匀导致受力不平衡出现往复振荡，实现加工产物的解离与碎片化，进而带动气泡等电中性烧蚀产物的振动解离过程，具体如图2所示。该方法可以有效地解决碎屑，残渣，气泡等烧蚀产物的排出，解决缺陷或光场波动带来的质量问题，同时避免引起待加工样品的振动，得到高质量的高深径比微通道结构。

附图说明

图1为本发明提出的一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统的结构示意图。

图2为本发明方法能够实现大型烧蚀产物解离与碎片化的原理示意图。

图3为本发明方法加工得到的微通道结构。

图1中，1是飞秒激光器，2是二分之一波片，3是偏振分束镜，4是快门，5是超快反射镜，6是水浸物镜，7是液体容器，8是加工液体环境，9是待加工样品，10是夹具，11是电压板，12是纳米平移台，13是交流电源，14是变频器，15是计算机。

具体实施方式

本发明提出的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统，其结构如图1所示，包括飞秒激光加工微通道的光路系统和交变电场的电路系统，包括飞秒激光器1、二分之一波片2、偏振分束镜3、快门4、超快反射镜5、水浸物镜6、液体容器7、加工液体环境8、待加工材料样品9、夹具10、电压板11、纳米移动台12、交变电源13、变频器14和计算机15；所述的飞秒激光器1、二分之一波片2、偏振分束镜3、快门4、超快反射镜5和水浸物镜6组成飞秒激光加工的光学系统；所述的电压板11、纳米移动台12、交变电源13、变频器14和计算机15组成交变电场的电路系统，待加工材料样品9置于液体容器7的加工液体环境8中，液体容器7置于纳米移动台12上，电压板11设置在液体容器7的两侧，电压板11依次与交变电源13、变频器14和计算机15相连。

本发明提出的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法，包括以下步骤：

(1)搭建一个如权利要求1所述的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统，其中光路系统由飞秒激光器1，二分之一波片2，偏振分束镜3，快门4，超快反射镜5，水浸物镜6，液体容器7，加工液体环境8，待加工材料样品9，夹具10，纳米移动台12组成。电路系统由电压板11，交变电源13以及变频器14组成，通过计算机15对两个系统进行控制；

(2)清洗待加工样品9，测定待加工样品的厚度L，将待加工样品9固定于纳米平移台12上方的液体容器7中，使待加工样品9的底部与液体容器7的底部之间具有高度为h的空隙；

(3)控制纳米平移台12，将飞秒激光焦点与待加工样品9的上表面对齐后，通过纳米平移台12的移动，使待加工样品9上移距离D，D＝液体折射率n×待加工样品厚度L÷待加工样品折射率n’，以确保待加工样品9加入液体后激光焦点位于待加工样品下方；

(4)通过二分之一波片2与偏振分束镜3控制激光单脉冲的能量，通过计算器15控制激光脉冲的重复频率，打开交变电源13的开关，调节电压强度与交变频率，输出交变电场，打开快门，通过计算机15控制纳米平移台12的移动速度，使纳米移动台缓慢下降，通过激光焦点与待加工样品的相对移动，实现微通道结构的直写。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(1)中，待加工样品下方留出的空隙高度h为10-30mm。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(2)中，液体环境为水、乙醇或氯化钾盐溶液。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(3)中，距离d为10-20μm。

上述交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法的步骤(4)中，输出的交变电场电压为50-2000V，交变频率为10KHz-500KHz，输出的飞秒激光单脉冲能量为1μJ-20μJ，飞秒激光重复频率为500Hz-1000Hz，纳米平移台的移动速度为0.4-2μm/s。

下面结合附图以及具体实施例，详细介绍本发明内容：

实施例1

以SiO₂(熔融石英)块体待加工样品为例，待加工样品9的厚度L＝1100微米。将块体待加工样品经乙醇、去离子水超声清洗后，固定于液体容器7内的夹具10中，下方留出20mm空隙。液体容器7中的液体为去离子水，搭建交变电场的电路系统与飞秒激光光路系统。将激光通过40X水浸物镜6(数值孔径NA＝0.90)聚焦，使焦点定位于待加工样品下表面20μm处。控制二分之一波片2的光轴角度设置输出激光的单脉冲能量为2.5μJ。控制计算机软件设置交变电场的电压强度为440V，交变频率为20KHz，飞秒激光重复频率为1000Hz，纳米平移台的移动速度为0.8μm/s。通过一定时间的纳米平移台下降，得到直径约6.6μm，深度大于1000μm的高质量微通道结构。

实施例2

以康宁玻璃(铝硅酸盐玻璃)块体待加工样品为例，待加工样品9的厚度L＝1200微米。将块体待加工样品经乙醇，去离子水超声清洗后固定于液体容器7内的夹具10中，下方留出30mm空隙。液体容器7中的液体为乙醇，搭建交变电场的电路系统与飞秒激光光路系统。将激光通过60X水浸物镜6(数值孔径NA＝1.0)聚焦，使焦点定位于待加工样品下表面15μm处。控制二分之一波片2的光轴角度设置输出激光的单脉冲能量为1.35μJ。控制计算机软件设置交变电场的电压强度为520V，交变频率为50KHz，飞秒激光重复频率为500Hz，纳米平移台的移动速度为0.4μm/s。通过一定时间的纳米平移台下降，得到直径约3.9μm，深度大于1000μm的高质量微通道结构。

实施例3

以硼硅玻璃块体待加工样品为例，待加工样品9的厚度L＝500微米。将块体待加工样品经乙醇，去离子水超声清洗后固定于液体容器7内的夹具10中，下方留出30mm空隙。液体容器7中的液体为氯化钾盐溶液，搭建交变电场的电路系统与飞秒激光光路系统。将激光通过60X水浸物镜6(数值孔径NA＝1.0)聚焦，使焦点定位于待加工样品下表面10μm处。控制二分之一波片2的光轴角度设置输出激光的单脉冲能量为3.0μJ。控制计算机软件设置交变电场的电压强度为480V，交变频率为50KHz，飞秒激光重复频率为1000Hz，纳米平移台的移动速度为0.5μm/s。通过一定时间的纳米平移台下降，得到直径约10.6μm的高质量微通道结构，如图3所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变，修饰，替代，组合，简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统，其特征在于，包括飞秒激光器、二分之一波片、偏振分束镜、快门、超快反射镜、水浸物镜、液体容器、加工液体环境、待加工样品、夹具、电压板、纳米移动台、交变电源、变频器和计算机；所述的飞秒激光器、二分之一波片、偏振分束镜、快门、超快反射镜和水浸物镜组成飞秒激光加工微通道的光路系统；所述的电压板、纳米移动台、交变电源、变频器和计算机组成交变电场的电路系统，待加工样品置于液体容器的加工液体环境中，液体容器置于纳米移动台上，电压板设置在液体容器的两侧，电压板依次与交变电源、变频器和计算机相连。

2.一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭建一个如权利要求1所述的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统；

(2)清洗待加工样品，测定待加工样品的厚度，将待加工样品固定于纳米移动台上方的液体容器中，使待加工样品的底部与液体容器的底部之间具有高度为h的空隙；

(3)控制纳米移动台，将飞秒激光焦点与待加工样品的上表面对齐后，通过纳米移动台的移动，使待加工样品上移距离D，D＝液体折射率n×待加工样品厚度L÷待加工样品折射率n’，

(4)通过二分之一波片与偏振分束镜控制激光单脉冲的能量，通过计算机控制激光脉冲的重复频率，打开交变电源的开关，调节交变电场电压与交变频率，输出交变电场，打开快门，通过计算机控制纳米移动台的移动速度，使纳米移动台缓慢下降，通过激光焦点与待加工样品的相对移动，实现微通道结构的直写。

3.如权利要求2所述的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的待加工样品下方留出的空隙高度h为10-30mm。

4.如权利要求2所述的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法，其特征在于，步骤(2)中的液体环境中的液体为水、乙醇或氯化钾盐溶液。

5.如权利要求2所述的交变电场辅助飞秒激光加工微通道的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中输出的交变电场电压为50-2000V，交变频率为10KHz-500KHz，输出的飞秒激光单脉冲能量为1μJ-20μJ，飞秒激光重复频率为500Hz-1000Hz，纳米移动台的移动速度为0.4-2μm/s。

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