CN113084363B - 一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向的移动三维定位机构。本发明具有非接触、高精度、均匀性好和热影响区小等优点，在制备微米级光响应液晶弹性体梳齿方面具有广阔应用前景。

Description

一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法。

背景技术

大自然为仿生研究者提供了许多模仿的例子。通过模仿生物的刺激响应行为，科学家们开发出了各种智能刺激响应材料(如水凝胶、形状记忆聚合物、液晶聚合物等)。智能刺激响应材料可在外界刺激下产生机械形变，在致动器、仿生器件、人工肌肉及微马达等领域具有广阔应用前景。

作为一种刺激响应材料，液晶聚合物具有分子质量轻、比强度高、耐疲劳等优点，其有序的液晶结构还赋予了材料各向异性及分子间协同作用，极大提高了材料的响应速度和弯曲应变。液晶弹性体是液晶聚合物经过适当交联后获得的材料，兼具液晶和弹性体的双重特性，通过改变液晶基元的排列即可产生形变。常见用于诱导液晶弹性体产生形变的刺激方式主要包括：光、热、电场、磁场及湿度等。相比之下，光刺激具有非接触、远程精确操控、无污染、性能易于调控等优势，已从众多刺激方式中脱颖而出，成为智能液晶聚合物研究的前沿方向。

目前基于光驱动的液晶弹性体一般通过在液晶聚合物中加入光敏基团，如偶氮苯实现。偶氮苯在紫外光或蓝光照射下产生顺反异构化可引起液晶基元排列的变化，从而使液晶弹性体产生可逆变形。利用液晶弹性体在光照下产生的形变特性，人们已经将其应用在人工肌肉、微纳机器人、光致执行器及微流体驱动等领域。

现有的液晶弹性体制造方法一般需要在液晶盒内对液晶进行取向，加工出的液晶弹性体尺寸通常较大(长/宽在毫米级以上)。对于一些特定应用场合，如基于光驱动的微型执行器/机器人等，常需要微小尺寸的液晶弹性体作为构件。传统的机械加工技术难以满足此要求，而FIB切割、电子束掩膜加工等效率低、成本高、周期长。飞秒加工作为一种新兴的加工技术，具有超短激光脉冲、超高峰值功率及热影响区小等优点，是微米级光响应液晶弹性体梳齿加工的一种经济且有效的手段。

发明内容

本发明提供一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法，旨在解决现有技术在加工光响应液晶弹性体梳齿方面效率低、耗时长、成本高、热影响区大等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向移动的三维定位机构。

本发明中，所述飞秒激光器的出射激光能量通过调节激光脉冲重复频率实现，通过调节激光脉冲重复频率，可以对输出的激光功率(能量)进行初次的调整，使得其接近工作功率。本发明液晶弹性体薄膜通过夹持装置固定于移动三维定位机构上，计算机控制平移台上液晶弹性体薄膜移动，使飞秒激光对其进行烧蚀切割，进而实现微米级光响应液晶弹性体梳齿的制备。

作为优选，所述功率调节元件选自中性密度衰减片或者光学半波片和光学检偏器的组合。作为进一步优选，利用功率调节元件(比如中性密度衰减片)连续调节飞秒激光的能量，使其高于待加工液晶弹性体薄膜烧蚀阈值，达到最佳工作功率。

作为优选，所述光束调节元件为光阑，调节后激光的束腰直径为2～5mm。作为进一步优选，所述光阑用于调节飞秒激光的束腰直径为3mm。

作为优选，所述扩束元件由两个共焦放置的凸透镜组成；两个共焦的凸透镜的焦距分别为20～40mm和80～120mm；所述聚焦元件为聚焦透镜，聚焦透镜的焦距为20～40mm。作为进一步优选，所述两个凸透镜的焦距分别为30mm和100mm。作为进一步优选，所述聚焦透镜的焦距为30mm。

作为可以选择的方案，还包括如下元件中的一种或者多种的组合：

一个或多个光路导向元件；

挡光板；通过挡光板可以实现对激光的阻挡，避免在调整样品高度时，激光对样品产生不利影响；当然，这里的挡光板也可以采用快门结构；

用于辅助调整样品位置或者对样品表面进行实时监测的相机；

与所述飞秒激光器相连用于控制飞秒激光参数的计算机，可选择的所述三维定位机构同时受控于所述计算机。

作为具体的选择，所述导向元件可选择一个或多个全反射镜的组合。比如可以采用两个平行全反射镜用于调节光路的高度和左右使其垂直入射到聚焦透镜的中心位置。

作为优选，所述三维定位机构包括用于调整高度和相对聚焦元件距离的二维手动平移台以及用于沿齿缝方向移动所述样品的一维电动平移台，两者相结合以实现对待加工液晶弹性体薄膜在xyz三维方向的调整。

作为优选，所述二维手动平移台上设有夹持装置，所述夹持装置包括定位夹持块、活动夹持块和用于将活动夹持块固定在设定位置的调节螺栓，旋转调节螺栓可使样品夹持于定位夹持块和活动夹持块之间。所述夹持装置固定于二维手动平移台上，二维手动平移台安装于一维电动平移台上，构成三坐标加工系统。调节二维平移台左右进给可使聚焦透镜的出射激光聚焦于液晶弹性体薄膜表面；调节二维平移台上下进给可控制两次切割条纹间距，进而控制液晶弹性体梳齿的宽度；计算机控制一维电动平移台前后进给可调节液晶弹性体梳齿的加工长度和切割速度。

作为替换，也可以采用现有的三维运动机构。比如常见的通过丝杠电机驱动的xyz导轨、滑块和电机组成的三维运动机构。

作为优选，还包括对所述相机提供光源的光源组件。作为进一步优选，所述光源组件为鹅颈灯，用于对液晶弹性体薄膜打光，使CCD相机清晰的监测液晶弹性体梳齿的加工过程。

作为一种优选的方案，本发明包括：一台飞秒激光器，沿所述飞秒激光器输出光路依次设有全反射镜、中性密度衰减片、光阑、扩束透镜系统、两个平行全反射镜、聚焦透镜和加工对象。所述加工对象，即液晶弹性体薄膜通过夹持装置固定于三维平移台上，控制平移台上液晶弹性体薄膜与飞秒激光焦点做相对运动进行烧蚀切割，激光在待加工薄膜表面上的聚焦及加工过程由CCD相机实时监测。飞秒激光器、CCD相机、电动平移台通过数据线与计算机连接，由计算机控制。

一种进行飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的方法，包括：飞秒激光经过功率调节，光束大小调节，扩束和聚焦，形成的光斑照射到待加工光响应液晶弹性体薄膜样品上，样品相对激光沿设定方向移动，对应区域在激光照射下被切割形成齿缝，依次加工多个齿缝，得到梳齿结构。

作为优选，所述液晶弹性体以偶氮苯作为光敏基团，薄膜厚度为10-50μm，可在紫外光或蓝光刺激下产生弯曲或舒展行为；液晶弹性体薄膜通过夹持装置夹持于两块矩形玻璃片之间，待加工薄膜部分暴露于玻璃片之外。

作为优选，加工所述齿缝时，样品垂直齿缝方向的两侧预留有使得齿缝不贯穿所述样品的预留部；齿缝加工完毕后，去除一侧预留部，得到所述的光响应液晶弹性体梳齿。采用该技术方案，在切割过程中，所述预留部起到一定预拉伸作用，避免齿条变形。

进一步的，所述液晶弹性体梳齿加工过程包括以下步骤：

S1：将液晶弹性体薄膜通过夹持装置固定于三维平移台上；

S2：计算机控制飞秒激光器发出脉冲激光，搭建飞秒加工光路，使飞秒激光经衰减、束腰、扩束和聚焦后垂直入射到液晶弹性体薄膜表面；

S3：打开鹅颈灯给液晶弹性体薄膜照明，在CCD相机下手动调节二维平移台使飞秒激光聚焦到待加工液晶弹性体薄膜表面；

S4：计算机控制一维电动平移台移动，使飞秒激光对液晶弹性体薄膜进行扫描切割；

S5：采用挡光板遮住激光，利用二维平移台手动调节液晶弹性体薄膜高度，实现加工梳齿宽度的调节；

S6：移去挡光板，计算机控制一维电动平移台上液晶弹性体薄膜移动，使飞秒激光对其进行二次切割；

S7：重复步骤S5和S6，在液晶弹性体薄膜内获得多条切割条纹；

S8：利用二维平移台上下移动液晶弹性体薄膜，使飞秒激光垂直于切割条纹长度方向切割，得到悬臂梁式液晶弹性体梳齿。

作为优选，所述飞秒激光器中心波长为800～1200nm，光场为高斯分布，脉冲宽度为120～140fs，脉冲重复频率为0.8～2kHz，功率为20-25mW，样品进给速度为0.15-0.2mm/s。作为进一步优选，所述飞秒激光加工工艺中，飞秒激光的中心波长为1030nm，脉冲重复频率为1kHz，脉冲宽度为130fs，激光加工功率为20-25mW，样品进给速度为0.15-0.2mm/s。

作为优选，所述液晶弹性体薄膜为以偶氮苯为光敏基团，在光刺激下发生可逆形变的液晶弹性体薄膜；所述飞秒激光的切割方向与液晶弹性体薄膜液晶基元取向一致。

本发明中，光响应液晶弹性体梳齿最小有效尺寸达35μm，热影响区小于10μm。

本发明中，所述液晶弹性体梳齿可在紫外光照射下产生弯曲形变，在蓝光照射下恢复到初始状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用聚焦飞秒激光直接在液晶弹性体薄膜表面进行直写加工，通过对脉冲能量的精确调制，获得了微米级宽度的光响应液晶弹性体梳齿；

(2)本发明采用飞秒激光加工方法提高了加工精度，降低了材料的热影响区，光响应液晶弹性体梳齿最小有效尺寸可达35μm，热影响区在10μm以下；

(3)本发明克服了FIB切割、电子束掩膜加工等方法成本高、效率低，加工周期长等问题，克服了传统烧蚀加工一致性差、热影响区大的问题。

总之，本发明具有非接触、高精度、均匀性好和热影响区小等优点，在制备微米级光响应液晶弹性体梳齿方面具有广阔应用前景。本发明得到的光响应液晶弹性体梳齿可以应用到在光学开光、光驱动微执行器、光驱动微马达、光驱动微纳机器人等领域。

附图说明

图1为本发明加工光路结构图；

其中,1是飞秒激光器，2是反射镜，3是中性密度衰减片，4是光阑，5是凸透镜，6是凸透镜，7是反射镜，8是反射镜，9是凸透镜，10是液晶弹性体薄膜，11是夹持装置，12是玻璃片，13是二维手动平移台，14是一维电动平移台，15是鹅颈灯，16是挡光板，17是CCD相机，18是计算机。

图2为本发明夹持装置结构示意图，其中11a为定位夹持块11b为活动夹持块，11c为调节螺栓。

图3为本发明制备液晶弹性体梳齿的加工流程图。

图4为本发明制备的不同梳齿宽度液晶弹性体实物图，(a)梳齿宽度为35μm，(b)梳齿宽度为60μm，(c)梳齿宽度为80μm，(d)梳齿宽度为120μm。

图5为本发明制备的液晶弹性体梳齿在紫外光照射前后的形态。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法，在加工方式上，采用聚焦飞秒激光直接在液晶弹性体薄膜表面进行直写加工，克服了FIB切割、电子束掩膜加工等效率低、成本高和加工周期长等问题；在器件性能方面，通过对飞秒激光脉冲能量和切割速度的精确控制，获得了热影响区小、均匀性好的微米级液晶弹性体梳齿，制备的液晶弹性体梳齿仍具有光响应性，可在紫外光照射下弯曲，在蓝光照射下恢复到初始平整状态。

本发明提出的一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法，其加工光路结构如图1所示，包括飞秒激光器1、全反射镜2、中性密度衰减片3、光阑4、凸透镜5、凸透镜6、全反射镜7、全反射镜8、聚焦透镜9、液晶弹性体薄膜10、夹持装置11、玻璃片12、二维手动平移台13、一维电动平移台14、鹅颈灯15、挡光板16、CCD相机17和计算机18。

全反射镜2、全反射镜7、全反射镜8主要是起到光路导向作用，可以根据实际需要进行增减，设置的位置和方向也可以根据实际需要进行调整。中性密度衰减片3主要用于调整输入激光的功率，也可以替换为其他功率调整元件，比如也可以采用半波片和检偏器组合构成的原件。凸透镜5、凸透镜6和凸透镜9组合，先扩束，后聚焦，以得到满足要求的光斑。

二维手动平移台13、一维电动平移台14相结合主要是为了实现对待加工液晶弹性体薄膜10在xyz三维方向的调整。作为替换，也可以采用现有的三维运动机构。比如常见的通过丝杠电机驱动的xyz导轨和滑块机构组成的三维运动机构，通过位于导轨A(比如为x方向)上滑块I与丝杠的传动，实现滑块I的驱动，滑块I顶面或者侧面可与导轨A垂直方向的另外一个导轨B(比如为y方向)连接，滑块I的运动带动导轨B在x方向的移动；在导轨B上可以设置另外一个滑块II，同样通过电机驱动，可以实现滑块II在y方向的移动，在滑块II上可以固定z轴方向的导轨C，在导轨C上同样可以固定滑块III，待加工液晶弹性体薄膜10可以固定在滑块III上，通过三个步进电机，三个轨道，三个滑块即可实现对待加工液晶弹性体薄膜10三个方向的调整，且调整精度可控。本实施例中，二维手动平移台13通过手动调节可以实现垂直于一维电动平移台14的移动，同时通过调整待加工液晶弹性体薄膜10的夹持高度，可以调整待加工液晶弹性体薄膜10在z方向的位置。

工作过程中，飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲，飞秒激光经全反射镜2后，光束传播方向改变90°垂直入射到中性密度衰减片3上，经中性密度衰减片3调节至适合功率后，出射激光先经光阑4调节束腰直径，再经两个共焦放置的凸透镜5，凸透镜6进行扩束，然后经两个平行放置的全反射镜7，全反射镜8调节光路高度和左右，最后经凸透镜9聚焦后垂直入射到待加工液晶弹性体薄膜10表面。

所述液晶弹性体薄膜10通过夹持装置11夹持于两块矩形玻璃片12之间，以保证薄膜平整性，待加工薄膜部分暴露于夹持玻璃片之外。

图2为夹持装置11的结构示意图，所述夹持装置包括定位夹持块11a、活动夹持块11b和调节螺栓11c，旋转调节螺栓11c可使样品夹持于定位夹持块11a和活动夹持块11b之间。

所述夹持装置11固定于二维手动平移台13上，二维手动平移台13安装于一维电动平移台14上，构成三坐标加工系统。调节二维平移台13左右进给可使聚焦透镜9的出射激光聚焦于液晶弹性体薄膜10表面；调节二维平移台13上下进给可控制两次切割条纹间距，进而控制液晶弹性体梳齿的宽度；计算机控制一维电动平移台14前后进给可调节液晶弹性体梳齿的加工长度和切割速度。

所述鹅颈灯15用于给液晶弹性体薄膜10照明，以便在CCD相机17下观察激光对液晶弹性体薄膜的聚焦及对整个加工过程进行实时监测。

所述飞秒激光器1、一维电动平移台14和CCD相机17通过信号线与计算机18连接，由计算机18控制。

实施例：飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿。

本发明实施例中，所用飞秒激光器为Amplitude公司的掺镱飞秒光纤激光器(Tangerine HP)，飞秒激光中心波长1030nm，脉冲宽度130fs，最高重复频率40MHz，单脉冲能量大于200μJ，激光聚焦前束腰直径为3-4mm，光场分布为高斯分布；所用液晶弹性体薄膜以偶氮苯为光敏感基团，可在紫外光照射下弯曲，在蓝光照射下恢复平整，薄膜厚度约为30μm，大小为2cm×2cm；所用相机为工业CCD相机。

本实施例的具体加工步骤如下：

S1：将液晶弹性体薄膜10通过夹持装置11夹持于两块矩形玻璃片12之间，待加工薄膜部分暴露在玻璃片之外；

S2：将夹持装置11固定于二维手动平移台13和一维电动平移台14构成的三维平移台上；

S3：计算机18控制飞秒激光器1发出脉冲激光，将各光路元件按图1顺序依次置入光学平台，调整光路使飞秒激光经全反射镜2、中性密度衰减片3、光阑4、扩束凸透镜系统5,凸透镜6、平行全反射镜7，全反射镜8和聚焦透镜9后垂直入射到待加工液晶弹性体薄膜表面，设定飞秒激光器1的脉冲重复频率为1kHz，旋转中性密度衰减片3使激光平均功率为25mW，调节光阑4使激光束腰直径为3mm；

S4：打开鹅颈灯15给液晶弹性体薄膜10照明，在CCD相机17下手动调节二维平移台13左右进给使飞秒激光聚焦于待加工液晶弹性体薄膜表面，同时借助CCD相机17实时监测整个加工过程；

S5：计算机18控制一维电动平移台14前向进给，使飞秒激光对液晶弹性薄膜10进行扫描切割，设定进给速度为0.2mm/s。

S6：采用挡光板16遮住激光，利用二维平移台13手动调节液晶弹性体薄膜高度，进而实现梳齿加工宽度的调节；

S7：移去挡光板16，计算机18控制一维电动平移台14后向进给，使飞秒激光对液晶弹性薄膜10进行二次扫描切割，进给速度为0.2mm/s；

S8：重复步骤S6和S7，在液晶弹性体薄膜内获得多条切割条纹；

S9：利用二维平移台13上下移动液晶弹性体薄膜，使飞秒激光垂直于切割条纹长度方向进行切割，得到悬臂梁式液晶弹性体梳齿。

图3为采用本发明方法制备液晶弹性体梳齿的加工流程图，首先利用聚焦飞秒激光在液晶弹性体薄膜面内切割出多条条纹；然后利用飞秒激光垂直于条纹长度方向切割，获得悬臂梁式液晶弹性体梳齿。采用此方法可减少飞秒加工过程中梳齿的热变形，提高加工的尺寸精度。

图4为采用本发明方法制备的不同梳齿宽度的液晶弹性体，光响应梳齿的最小有效宽度为35μm，热影响区小于10μm。加工过程中，飞秒激光中心波长1030nm，脉冲宽度130fs，脉冲重复频率1kHz，平均激光功率25mW，电动平移台进给速度0.2mm/s。

图5为制备的液晶弹性体梳齿在紫外光照射前后的弯曲情况。液晶弹性体梳齿宽度为120μm，长度为0.3mm。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种进行飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将液晶弹性体薄膜通过夹持装置夹持于两块矩形玻璃片之间，待加工薄膜部分暴露在玻璃片之外；

S2：将夹持装置固定于二维手动平移台和一维电动平移台构成的三维平移台上；

S3：计算机控制飞秒激光器发出脉冲激光，调整光路使飞秒激光经全反射镜、中性密度衰减片、光阑、扩束凸透镜系统, 凸透镜、平行全反射镜，全反射镜和聚焦透镜后垂直入射到待加工液晶弹性体薄膜表面；

S4：打开鹅颈灯给液晶弹性体薄膜照明，在CCD相机下手动调节二维平移台左右进给使飞秒激光聚焦于待加工液晶弹性体薄膜表面，同时借助CCD相机实时监测整个加工过程；

S5：计算机控制一维电动平移台前向进给，使飞秒激光对液晶弹性薄膜进行扫描切割；

S6：采用挡光板遮住激光，利用二维平移台手动调节液晶弹性体薄膜高度，进而实现梳齿加工宽度的调节；

S7：移去挡光板，计算机控制一维电动平移台后向进给，使飞秒激光对液晶弹性薄膜进行二次扫描切割；

S8：重复步骤S6和S7，在液晶弹性体薄膜内获得多条切割条纹；

S9：利用二维平移台上下移动液晶弹性体薄膜，使飞秒激光垂直于切割条纹长度方向进行切割，得到悬臂梁式液晶弹性体梳齿；

所述薄膜厚度为10-50μm；加工齿缝时，样品垂直齿缝方向的两侧预留有使得齿缝不贯穿所述样品的预留部；齿缝加工完毕后，去除一侧预留部，得到所述的光响应液晶弹性体梳齿；所述飞秒激光器中心波长为800~1200nm，光场为高斯分布，脉冲宽度为120~140fs，脉冲重复频率为0.8~2kHz，功率为20~25mW，样品进给速度为0.15~0.2mm/s。

2.根据权利要求1所述进行飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的方法，其特征在于，所述液晶弹性体薄膜为以偶氮苯为光敏基团，在光刺激下发生可逆形变的液晶弹性体薄膜；所述的飞秒激光的切割方向与液晶弹性体薄膜液晶基元取向一致。

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