利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的方法，屬于飛秒激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微通道在微流體器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。石英晶體因其良好的光學(xué)性質(zhì)，作為理想的基底材料，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]相比于傳統(tǒng)激光，飛秒激光作為一種具有超短脈沖時(shí)間、極高峰值功率，可突破光學(xué)衍射極限等優(yōu)勢(shì)的加工手段，被廣泛的用于材料加工。飛秒激光超短脈寬可以減小加工過程中的熱影響區(qū)，使得加工精度更高，此外，飛秒激光的超高峰值功率可以誘導(dǎo)透明材料的非線性吸收，因此基于多光子吸收效應(yīng)，三維的微流體結(jié)構(gòu)可以直接在玻璃內(nèi)部加工。目前利用飛秒激光在玻璃材料上加工微流體結(jié)構(gòu)主要有兩種方法:一種是直接用飛秒激光打孔的方法在玻璃內(nèi)部燒蝕加工；另一種是飛秒激光結(jié)合化學(xué)刻蝕的方法加工。第一種方法的加工工藝簡(jiǎn)單，但是加工出的微通道存在重鑄等嚴(yán)重缺陷，影響了其加工精度；第二種制備方法未考慮材料本身的特性，導(dǎo)致加工效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)加工效率低、加工出的產(chǎn)品存在缺陷的問題，提出一種利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的方法。通過調(diào)節(jié)激光偏振與材料晶軸夾角參數(shù)，調(diào)控激光與材料相互作用過程中的局部瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)，進(jìn)而控制飛秒激光對(duì)材料內(nèi)部的改性程度，最終提高微通道的加工精度和加工效率。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
[0006]利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的方法，具體步驟如下:
[0007]步驟一、以5度為間隔調(diào)節(jié)偏振角度對(duì)材料進(jìn)行激光改性；
[0008]步驟二、用濃度為5% -10%的氫氟酸溶液進(jìn)行酸蝕，加工出微通道結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到加工效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的偏振角；
[0009]步驟三、在步驟二得到的加工效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的偏振角下用激光對(duì)材料進(jìn)行改性；
[0010]步驟四、用濃度為5% -10%的氫氟酸溶液酸蝕，從而得到帶有微通道的材料。
[0011]實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，包括飛秒激光器；第一半波片；偏振片；第二半波片；反射鏡；CCD成像系統(tǒng)；機(jī)械開關(guān)；聚焦物鏡；待加工樣品；六軸移動(dòng)平臺(tái)；計(jì)算機(jī)。
[0012]連接關(guān)系:飛秒激光器產(chǎn)生飛秒激光脈沖，脈沖依次經(jīng)過第一半波片、偏振片、第二半波片之后，被反射鏡反射，經(jīng)過機(jī)械開關(guān)，透過聚焦物鏡反射到到待加工樣品表面，待加工樣品放置在六軸移動(dòng)平臺(tái)上，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械開關(guān)，并且控制六軸移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)(偏振角Θ為激光偏振方向與材料晶軸之間的夾角)。其中加工過程可通過CXD成像系統(tǒng)直接觀測(cè)。
[0013]該裝置的工作過程如下:
[0014]步驟一:飛秒激光器產(chǎn)生飛秒激光脈沖；
[0015]步驟二:把步驟一產(chǎn)生的飛秒激光脈沖入射到聚焦物鏡中進(jìn)行聚焦，并保持激光焦點(diǎn)聚焦到待加工樣品的內(nèi)部；
[0016]步驟三:通過調(diào)節(jié)第一半波片和偏振片調(diào)整加工所需的能量，使之高于基底材料的改性閾值但低于燒蝕閾值；
[0017]步驟四:利用第二半波片調(diào)節(jié)飛秒激光脈沖偏振方向與材料晶軸方向的夾角；
[0018]步驟五:計(jì)算機(jī)控制平移臺(tái)，使材料與激光焦點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在待加工樣品的內(nèi)部加工出所需要的改性區(qū)域；
[0019]步驟六:把步驟五獲得的改性后的樣品浸入濃度為5% -10%的氫氟酸溶液中進(jìn)行化學(xué)酸蝕，改性區(qū)會(huì)和溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而形成微通道。
[0020]有益效果
[0021 ] 1、本發(fā)明針對(duì)材料特性進(jìn)行調(diào)制，因光電離主導(dǎo)了飛秒激光材料改性過程，并與材料刻蝕效率密切相關(guān)(正相關(guān))，研宄發(fā)現(xiàn)材料的光電離率呈現(xiàn)顯著的晶向依賴性，通過調(diào)節(jié)激光偏振與材料晶軸夾角可以有效的調(diào)控光電離的強(qiáng)度，因此通過選擇恰當(dāng)?shù)募す馄衽c材料晶軸的夾角來提高材料光電離率，以增加材料改性程度，最終達(dá)到提高刻蝕效率的目的。
[0022]2、對(duì)比飛秒激光直接照射，化學(xué)酸蝕的作用會(huì)使得微通道的加工精度得到很大的改善，加工形貌更可觀，并且由于偏振選擇的結(jié)果使得加工程度可控。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施方式的加工流程圖；
[0024]圖2為具體實(shí)施實(shí)例中飛秒激光加工光路圖。
[0025]其中，1-飛秒激光器；2_第一半波片；3_偏振片；4_第二半波片；5_反射鏡；6-CCD成像系統(tǒng)；7_機(jī)械開關(guān)；8_聚焦物鏡；9_待加工樣品；10_六軸移動(dòng)平臺(tái)；11_計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0027]利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的方法，具體步驟如下:
[0028]步驟一、以5度為間隔調(diào)節(jié)偏振角度對(duì)石英玻璃進(jìn)行激光改性
[0029]步驟二、用濃度為8%的氫氟酸溶液進(jìn)行酸蝕，加工出微通道結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到加工效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的偏振角
[0030]步驟三、在步驟二得到的加工效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的偏振角下用激光對(duì)材料進(jìn)行改性
[0031]步驟四、用濃度為8%的氫氟酸溶液酸蝕，從而得到帶有微通道的材料
[0032]本發(fā)明實(shí)施方式的加工流程如圖1所示。激光加工系統(tǒng)如圖2所示，飛秒激光器I產(chǎn)生飛秒激光脈沖，脈沖依次經(jīng)過第一半波片2、偏振片3、第二半波片4之后，被反射鏡5反射，經(jīng)過機(jī)械開關(guān)6，透過聚焦物鏡8反射到到待加工樣品9表面，待加工樣品9放置在六軸移動(dòng)平臺(tái)10上，計(jì)算機(jī)11控制機(jī)械開關(guān)7，并且控制六軸移動(dòng)平臺(tái)10實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)(偏振角Θ為激光偏振方向與材料晶軸之間的夾角)。其中加工過程可通過CCD成像系統(tǒng)6直接觀測(cè)。
[0033]飛秒激光系統(tǒng)采用美國(guó)光譜物理(SpectrumPhysic)公司生產(chǎn)的激光器，實(shí)驗(yàn)過程中采用的為線偏振光，中心波長(zhǎng)800nm，脈沖寬度35fs，重復(fù)頻率IkHz，光強(qiáng)分布為高斯型；實(shí)驗(yàn)中待加工樣品為石英玻璃，尺寸為IcmX IcmX 3mm。
[0034]步驟一、飛秒激光器I產(chǎn)生脈沖寬度為35飛秒的飛秒激光單脈沖。
[0035]步驟二、用雙面膠把石英玻璃(晶向< 0001 > )固定在載玻片上，再把載玻片放置在六軸移動(dòng)平臺(tái)10上，并用水平測(cè)量?jī)x測(cè)量確保平臺(tái)調(diào)至水平。
[0036]步驟三、打開機(jī)械開關(guān)7，調(diào)整光路，確保激光通過光路垂直入射到10倍的聚焦物鏡8中進(jìn)行聚焦，通過CCD成像系統(tǒng)6觀測(cè)使得激光聚焦在玻璃表面，利用第一半波片2和偏振片3的組合調(diào)節(jié)脈沖能量至0.5 μ J。
[0037]步驟四、用計(jì)算機(jī)控制六軸移動(dòng)平臺(tái)，使加工物鏡的焦點(diǎn)聚焦到材料下表面，繼續(xù)往下移動(dòng)100 μ m。
[0038]步驟五、利用第二半波片4調(diào)節(jié)飛秒激光脈沖偏振方向與材料晶軸方向的夾角。在0-90度范圍內(nèi)，以5度為間隔調(diào)節(jié)偏振角度，在此過程中保持其他激光參數(shù)不變。
[0039]步驟六、控制平移臺(tái)使材料與激光焦點(diǎn)之間沿著Z軸方向運(yùn)動(dòng)，在樣品內(nèi)部加工出19個(gè)偏振角所需要的改性區(qū)域。
[0040]步驟七、把步驟六獲得的改性后的樣品浸入濃度為8%的氫氟酸溶液中進(jìn)行化學(xué)酸蝕I小時(shí)，即可形成19個(gè)微通道。
[0041]步驟八、觀測(cè)微通道結(jié)構(gòu)，在偏振角度為45度和90度時(shí)，微通道的加工深度最大，并且孔壁和端面光滑平整。
[0042]步驟九、設(shè)定第二半波片4的偏振角為45度，控制平移臺(tái)使材料與激光焦點(diǎn)之間沿著Z軸方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料進(jìn)行改性。
[0043]步驟十、把步驟九獲得過的改性后的樣品浸入濃度為8%的氫氟酸溶液中進(jìn)行化學(xué)酸蝕I小時(shí)，從而得到帶有高精度、高深徑比的微通道的材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、以5度為間隔調(diào)節(jié)偏振角度對(duì)材料進(jìn)行激光改性； 步驟二、用濃度為5% -10%的氫氟酸溶液進(jìn)行酸蝕，加工出微通道結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到加工效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的偏振角； 步驟三、在步驟二得到的加工效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的偏振角下用激光對(duì)材料進(jìn)行改性； 步驟四、用濃度為5% -10%的氫氟酸溶液酸蝕，從而得到帶有微通道的材料。
2.實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的裝置，其特征在于:包括飛秒激光器⑴；第一半波片⑵；偏振片⑶；第二半波片⑷；反射鏡(5);CCD成像系統(tǒng)(6);機(jī)械開關(guān)(7);聚焦物鏡⑶；待加工樣品(9);六軸移動(dòng)平臺(tái)(10);計(jì)算機(jī)(11);飛秒激光器(I)產(chǎn)生飛秒激光脈沖，脈沖依次經(jīng)過第一半波片(2)、偏振片(3)、第二半波片(4)之后，被反射鏡(5)反射，經(jīng)過機(jī)械開關(guān)(6)，透過聚焦物鏡(8)反射到到待加工樣品(9)表面，待加工樣品(9)放置在六軸移動(dòng)平臺(tái)(10)上，計(jì)算機(jī)(11)控制機(jī)械開關(guān)(7)，并且控制六軸移動(dòng)平臺(tái)(10)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)；其中加工過程可通過CCD成像系統(tǒng)(6)直接觀測(cè)。
3.如權(quán)利要求2所述的利用激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合酸蝕制備微通道的裝置，其特征在于工作過程如下: 步驟一:飛秒激光器(I)產(chǎn)生飛秒激光脈沖； 步驟二:把步驟一產(chǎn)生的飛秒激光脈沖入射到聚焦物鏡(8)中進(jìn)行聚焦，并保持激光焦點(diǎn)聚焦到待加工樣品(9)的內(nèi)部； 步驟三:通過調(diào)節(jié)第一半波片(2)和偏振片(3)調(diào)整加工所需的能量，使之高于基底材料的改性閾值但低于燒蝕閾值； 步驟四:利用第二半波片(4)調(diào)節(jié)飛秒激光脈沖偏振方向與材料晶軸方向的夾角；步驟五:計(jì)算機(jī)(11)控制平移臺(tái)，使材料與激光焦點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在待加工樣品(9)的內(nèi)部加工出所需要的改性區(qū)域； 步驟六:把步驟五獲得的改性后的樣品浸入濃度為5% -10%的氫氟酸溶液中進(jìn)行化學(xué)酸蝕，改性區(qū)會(huì)和溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而形成微通道。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用飛秒激光偏振選擇性燒蝕結(jié)合化學(xué)酸蝕高效率制備微通道的方法，屬于飛秒激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明中針對(duì)晶態(tài)材料特性，通過調(diào)節(jié)激光偏振參數(shù)與材料晶軸夾角，進(jìn)而調(diào)控激光與材料相互作用過程中的局部瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)，誘導(dǎo)激光加工區(qū)域材料改性，之后輔助化學(xué)酸蝕，從而提高微通道的加工效率和加工精度，本方法簡(jiǎn)單高效，在微流體加工領(lǐng)域有重要研究意義。
【IPC分類】B23K26-0622, B23K26-53, B23K26-70
【公開號(hào)】CN104625438
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410830142
【發(fā)明人】姜瀾, 馮品, 李欣, 戎文龍
【申請(qǐng)人】中自高科（蘇州）光電有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月29日