电子动态调控时空整形飞秒激光透明介质微通道加工

发布时间：2020-07-11 13:15

【摘要】：微流体系统是近年来生物、化学、制造领域的一个研究热点。微通道,尤其是较大长径比的微通道是微全分析系统和其它微流体系统或装置的关键结构。石英玻璃、有机玻璃PMMA等透明介质材料由于其较好的光学、热学和化学特性,是构建许多微流体系统最为理想的基底。超快激光,尤其是飞秒激光的发展使得其成为了在透明材料中制备微通道结构的有力工具。然而飞秒激光微通道制造仍面临着诸多挑战,例如:(1)制造精度、长径比和微通道表面粗糙度等要求不断推向新的极端;(2)加工效率方面,目前飞秒激光微通道制造主要仍处于实验室阶段,无法兼顾其精度和效率,在解决工程制造问题以及进行产业化的时候仍有大量的研究工作需要开展。针对上述挑战,我们提出了电子动态调控时空整形飞秒激光微通道制备新方法,基于飞秒激光超快和超强的优势,通过对其进行时域和空域上的单独或协同整形,调控飞秒激光能量在时间和空间上的分布,进而调控光子-电子相互作用过程,调控瞬时纳米尺度电子动态(电子密度、温度、激发态分布等),调控电子-声子的后续相互作用过程,从而实现对材料最终相变过程和加工加工的改善,实现高精度高效率高长径比的三维微通道制造,以满足不断提升的制造要求。本论文根据上述科学思路,选取了石英玻璃和有机玻璃两种代表性透明介质材料,开展了电子动态调控时空整形飞秒激光在透明介质内部加工微通道的实验研究,主要研究工作包括:(1)搭建电子动态调控飞秒激光时空整形加工光路,进行一维和二维微通道的制备;(2)研究了飞秒激光直接烧蚀加工一维微通道过程中各加工参数(脉冲个数、聚焦深度等)对微通道直径、深度和深径比的影响;(3)改变加工环境,研究真空条件下飞秒激光直接烧蚀加工一维微通道与空气条件下的差异;(4)通过对飞秒激光进行时间整形,产生脉冲序列,研究其对制备微通道时加工精度和加工效率的影响;(5)通过对飞秒激光进行空间整形,产生贝塞尔光束,研究其对制备微通道时加工精度和加工质量的影响;(6)通过对飞秒激光进行时空协同整形,产生贝塞尔光束脉冲序列,研究其对制备微通道时加工效率的影响。本论文所取得的主要创新成果如下:(1)通过自行搭建的双脉冲光路进行了不同子脉冲延迟的一维微通道打孔加工,发现微通道的深度在脉冲延迟为零时最大,这表明时间整形飞秒激光在数倍至数十倍阈值的能量范围内难以发挥正面作用,原因在于在高能量情况下,产生的自由电子和后续等离子体的密度和温度都极高,强相变和强烧蚀决定加工结果的形貌,脉冲序列对电子状态的影响较弱。而在飞秒激光辐照辅助化学刻蚀加工微通道的方法中,发现在近烧蚀阈值的能量范围内,通过在时间上将传统飞秒激光脉冲整形成双脉冲序列,在均匀改性区内,由于光电耦合效率的增强以及更均匀的改性,双脉冲序列改性区的刻蚀率是单脉冲序列的10倍;在纳米光栅改性区内,后续子脉冲会破坏光场和等离子体波的干涉,形成一种与偏振无关的无序连通微纳结构,从而可以消除微通道加工对偏振的依赖性,加工三维微通道时,双脉冲序列加工的结果其长度可达单脉冲序列的7倍。(2)通过对高斯激光进行空间整形改变其能量及对应自由电子密度的空间分布,使用matlab对空间光强分布进行了模拟,并用相同的参数进行实验加工,极大地提高微通道的深径比和质量,深径比提高了50倍,与模拟结果吻合较好,且加工质量有明显改善,体现了空间整形飞秒激光在加工一维微通道方面的巨大优势。使用空间整形飞秒激光并结合真空环境进行一维微通道加工的工艺应用在国家“点火工程”中微靶靶球充气孔(充气通道)的制备中,对其加工起到了关键支撑作用。(3)通过对飞秒激光同时进行时间上和空间上的复合整形,在飞秒激光辐照辅助化学刻蚀的过程中,材料在贝塞尔光束的作用下产生的等离子体波以及材料的流体动力学运动又会与入射的贝塞尔光束干涉光场之间发生干涉和耦合,从而改变改性区的微观形貌,使周期性点列结构变为连续结构,从而极大地提高刻蚀率和微通道深径比,相比常规贝塞尔光束的加工结果,提高了至少12倍,并且辐照改性过程无需加工样品的移动,进一步提升了飞秒激光的加工能力和加工效率。本论文研究内容来源于以下科研项目:科技部“973”计划项目“激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究(项目编号:2011cb013000)”、国家自然科学基金重大研究计划项目“基于脉冲序列设计和共振吸收激光微纳跨尺度制造及理论”(项目编号:90923039)以及国家“点火工程”重大专项“精密微加工技术研究”(项目编号:gfzx02040203.5)。本文中电子动态调控飞秒激光加工新方法被选定为国家“点火工程”中微靶靶球充气孔(充气通道)的加工工艺,实现了高深径比、高质量微孔(微通道)加工,达到了合同规定的各项指标要求,对靶丸染料充气微孔(微通道)加工起到了关键支撑作用。本文的主要创新成果均发表在光学、应用物理学等国际国内主流杂志上,其中sci检索论文5篇(本人第一作者1篇),ei检索论文4篇(本人第一作者或导师第一本人第二作者2篇),大会特邀报告2次,申请国家发明专利1项。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665
【图文】：

芯片实验室,细菌,微通道

其中(a)是用于进行对细菌的行为进行监测的，(b)是一个微流体病毒检测系统。图1.1 典型的芯片实验室结构用于：(a)细菌行为监测，(b)病毒检测[3]微通道(Microchannels)，尤其是较大长径比的微通道是微全分析系统和其它微流体系统或装置的关键结构。芯片实验室利用一维、二维甚至三维的微通道构建的微通道网络来传输、混合、分离和分析极小量的生物或化学样本流体(小于 10-12升)，其主要优势在于检测灵敏度高、分析速度快、样本和试剂消耗小、测量自动化和标准化[4]。其应用领域涵盖生物化学研究(基因学、蛋白质学、细胞学)、化学合成和制药、高效率医学和生化检测、环境以及生化威胁的监测[5]。由于芯片实验室极小化和集成化的能力，使得生命科学迎来了一次全新的飞跃和变革，如同集成微电子芯片催生了如今的信息社会。芯片实验室的基底材料目前一般为硅、玻璃以及 PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，有机玻璃)、PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)等聚合物材料。其中石英玻璃、有机玻璃等透明介质材料由于具有较好的光学、热学和化学特性

流程图,光刻工艺,流程,制造技术

[8]。图1.2 传统的光刻工艺流程近年来，飞秒激光微纳制造技术(Femtosecond laser micro/nano fabricationtechnology)已经成为制备微通道一个全新的强有力的工具。激光微纳制造技术是当下最热门的激光应用领域之一，集成了许多相关学科的最新成果，近几十年来世界各国都非常关注和重视[9]。自从激光器问世以来，激光微纳制造技术就被广泛地应用在许多领域，其主要加工方法包括激光直写加工、激光干涉诱导微纳加工、近场纳米加工、脉冲激光沉积等。由于激光具有亮度高、方向性好、单色性强、相干性好、偏振可控等一系列独特特性，在能量、时间和空间方面可选择的范围宽，而且可进行精确协调控制，这使其在许多领域，特别是三维复杂结构的微纳制造方面具有明显优势。例如 Kato 等使用微透镜阵列将一束激光分成上百束

光学元器件,飞秒激光,光波导

[40]。图1.4 飞秒激光制备的各种光学元器件：(a)光波导[26]，(b)光栅[34]，(c)光子晶体[35]，(d)光存储元件[38]1.2 国内外研究现状及发展趋势目前使用飞秒激光进行微通道制造主要有两种方式：(1)飞秒激光辐照辅助化学刻蚀(Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching, FLICE)；(2)液体辅助飞秒激光烧蚀(Liquid-assisted Femtosecond Laser Drilling，LAFLD)。此外，飞秒激光改性辅助热处理加工微通道也具有一定的应用。事实上，一维的微通道很多时候也可以叫做微孔(microholes)，对于微孔与微通道结构目前尚无明确的区分，从形状和结构上来讲它们也无明显区别和界限

【参考文献】