基于飞秒激光的图案化微柱阵列与微孔阵列加工与应用研究

发布时间：2020-05-10 23:18

【摘要】：作为一种新型的激光加工技术,飞秒激光微加工具有亚微米的加工分辨率、低热损伤等技术特点,随着科学技术的发展,飞秒激光微加工技术有着广泛的应用领域。本文主要基于飞秒激光的图案化微柱阵列与微孔阵列加工与应用研究。首先,介绍形成结晶的物理过程,与通过外界作用生成控制结晶生长的方法,同时介绍了结晶颗粒在生物材料和光学组件上的应用。其次,提出基于毛细力辅助飞秒激光加工微柱阵列,并通过微柱阵列来制备结晶颗粒,设计一系列的微柱阵列参数来探讨微柱结构对溶液形成结晶的影响。最后,利用飞秒激光基于水辅助的加工技术在铝箔上进行高质量的微孔阵列打印并进行粒子筛选的应用研究。微粒的大小、形态和位置在微电子设备和微光学设备的组件中有着广泛的应用前景。在此,提供了一个简单的方法来控制毛细力辅助本地化的结晶,从而获得可控的晶体颗粒大小和位置,它利用封闭微柱围绕的环形阵列来指导溶液的蒸发过程。与传统的对结构表面进行亲疏水改性处理方法不同,封闭的微柱环阵列(CMR)可以指导三相接触线(TCL)的运动,可以实现溶液高度集中在CMR中,形成结晶颗粒(氯化钠或碳酸钙晶体颗粒)的过程中,没有任何进一步的对表面进行改性处理。通过改变微柱数组的参数(高度、微柱间隔和直径),晶体颗粒的大小处于可调节的范围(结晶颗粒的面积处于0 μm2～100μ m2)。这一灵巧和低成本控制生成结晶粒子的生成与CMR内控制溶液大小和位置结合的技术,可以在微电子和微光电设备提供潜在的应用。同时,由于飞秒激光具有广泛的应用领域,在本课题的研究内容中,提出了基于水辅助的飞秒激光加工技术用于制造高质量均匀的微孔阵列,加工的过程是在超薄铝箔进行飞秒激光射孔。飞秒激光加工的过程可以通过程序来控制,我们可以通过改变激光脉冲能量和扫描速率来改变微孔直径。这样加工出的微孔阵列可以用来筛选不同直径的粒子。并进行对比实验,证实了高质量的微孔阵列具有显著提高粒子渗透的作用,并且筛选的比例相比在空气中进行加工的微孔隙增加了 40%。高质量的微孔阵列可广泛应用在微流体,微分离设备等领域。
【图文】：

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（１）微纳结构：早在１９９７年，Ｓ．Ｋａｗａｔａ等研究人员利用飞秒激光对聚合物逡逑产生的光致聚合反应，利用波长８００邋ｎｍ，飞秒激光直写加工技术在对紫光敏感的逡逑树脂ＳＣＲ邋５００邋（由日本的ＪＳＲ公司生产）进行加工研宄，图１．２即为成型的微纳逡逑螺旋线。如图所示，其加工的分辨率达到微米级（大约１－２邋Ｍｍ）。随着飞秒激逡逑光加工技术的发展，Ｓｕｎ等人在２００１年利用飞秒激光加工技术在ＳＣＲ邋５００上进逡逑行加工出长１０邋ｐｍ、高７邋ｕｒｎ的‘纳微米牛’，并且加工且结构的分辨率提高到了逡逑１２０邋ｎｍ，这是目前世界上人工制作的最小的动物模型的尺寸，且与人体内的红血逡逑球差不多，，这么小尺寸的结构可以在人体内最细的血管里流动，所以这也为飞秒逡逑激光微纳加工技术在生物医疗领域中发挥作用提供了可能性，其中，他们实验所逡逑用的光源是商用的锁模台宝石飞秒激光器，如图所示，是‘纳微米牛’的微结构逡逑扫描电子显微照片（ＳＥＭ）邋［１２］。逡逑３逡逑

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图１．３使用ＤＬＷ制造任意三维蛋白质的结构如单线螺旋（ａ）和（ｂ－ｃ）二十面体线框结构逡逑（３）微光学组件：飞秒激光在微光学系统组件上有着很重要的应用前景，Ｓｉｍ逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】