飞秒激光内加工三维空腔微结构技术研究

发布时间：2017-12-06 09:22

  本文关键词：飞秒激光内加工三维空腔微结构技术研究

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【摘要】：利用具有高峰值功率密度、短脉冲宽度的飞秒激光在透明电介质材料内部直写加工中空微结构的技术,可以解决采用传统的表面加工方法制备集成芯片系统时,加工速度慢、处理工序多、产品成功率低以及复杂空间型结构难以制备等问题,因此在未来集成微芯片系统的制作方面具有广泛的应用前景。本文以聚合物电介质材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为主要研究对象,对利用飞秒激光在PMMA中制备连续或离散的空腔型结构的加工方法进行了系统的理论分析和实验研究,主要内容包括:利用Raman光谱学的研究方法判断在PMMA内加工的过程中光致分解的主要途径;利用低脉冲重复频率的钛蓝宝石飞秒激光器在PMMA内制作具有三维复杂构型的连续中空微通道结构;利用高脉冲重复频率的光纤飞秒激光器在PMMA中制备离散的内嵌式微球透镜结构等。本论文主要的研究工作和取得的成果如下:1.研究了飞秒激光在PMMA中内加工空腔结构的机理。当高功率密度的飞秒激光脉冲被紧聚焦于透明电介质材料中时,材料将通过非线性光电离及雪崩电离产生等离子体,此后将发生如色心形成或微爆炸等复杂的弛豫过程,从而实现对材料改性或刻蚀。内加工的弛豫机制随选用激光的重复频率变化而有所差别,当采用低重复频率的飞秒激光脉冲序列对材料进行辐照时,激光脉冲对材料的作用是相互独立的;而采用高重复频率的飞秒激光加工时,热积累效应将在加工中起主导作用。研究了飞秒激光内加工PMMA的分解途径与在表面加工时的区别。当表面加工PMMA时,长链PMMA分子在激光作用下将主要发生侧链的断裂,从而分解出CO2、CH4等气体小分子。在内加工过程中,由于激光聚焦影响区域在空间上受到周围材料的高度约束,PMMA分子在重复的脉冲作用下将同时发生主链和侧链的高度分解,产生气体分子和自由基;自由基又将通过交联反应生成具有复杂三维空间网络的交联聚合物。2.利用钛蓝宝石飞秒激光器在PMMA中直写制备了连续空腔型微通道结构。在不经任何气体或液体辅助排屑的条件下,采用Bottom-Up的加工方式并配合进液口和排液口的扩孔及修复操作,即可实现长距离、大管径、构型复杂的内嵌式三维微通道结构的快速加工。获得的微通道经液体注射实验验证通畅性完好,通道的透光性及亲水性优良,满足微流控芯片制作的基本要求。具体细致地研究了激光功率、扫描速度、加工深度、扫描次数和激光沉积总能量等因素对微通道加工质量的影响。其中,激光功率的变化将导致被加工结构发生三类变化,影响横截面形状的主要因素为加工中的非线性自聚焦效应和激光成丝现象;随着扫描速度的增加,微通道横截面的尺寸呈先上升、后下降的趋势,等离子体对激光造成的反射和散射在低速扫描时对加工质量有重要影响;激光加工深度的增加将导致通道横截面直径呈近线性下降;扫描次数的增加将导致通道横截面直径在水平和垂直方向皆呈近线性增长,且沿激光入射反方向的增长更为明显,考虑与激光支持吸收波的产生有关;在激光功率和加工时间相同的条件下,通道横截面尺寸的变化受到扫描次数的影响较大;而在单位长度沉积能量相同的条件下对定长通道加工时,激光功率的选择对加工效果影响则更为显著。3.利用高重复频率光纤飞秒激光器在PMMA中制备了离散的内嵌式微球透镜结构,主要分为微球凸透镜(VMBL)和微球凹透镜(CMBL)两类结构。其中,微球凸透镜折射率的增加与高重复频率飞秒激光脉冲的热积累效应所导致的PMMA的“熔化-重凝”过程有关;而微球凹透镜的制作主要依靠PMMA分子在热积累效应和非线性光电离的共同影响下断链生成气体分子,气体分子在马拉高尼对流的作用下聚集于激光加工中心位置,并在激光作用停止后形成气体空腔,空腔周围环绕的熔池区域在凝固后形成结构致密的壳层。详细研究了激光功率、聚焦物镜、曝光时间和重复频率等对微球透镜加工质量的影响。其中,制作微球凸透镜的激光功率窗口相对较窄,在50×物镜聚焦条件时约在90m W附近;而微球凹透镜则可在400m W~1.5W的功率区间内进行制备。微球凹透镜的空腔直径和热影响区直径在激光辐照前期快速增长,而后则呈相对缓慢的近线性增长特征。实验发现在相同的激光平均功率条件下,激光重复频率对微球透镜的尺寸无明显影响。研究了微球透镜结构发展随时间变化的特征,观察并分析了微球凹透镜随辐照时间的结构发展过程,发现了微球凸透镜在制备后的冷却过程中出现的直径少量增长及折射率下降的现象。利用内嵌式微球透镜,成功构造了倒置微望远系统。其中,以微球凸透镜为前镜的望远系统能够对目标清晰成像;而以微球凹透镜为前镜的系统则主要具有超广角成像的能力,能对放置于透镜周围近4π空间的光源成像。研究了微球凹透镜的光学性能及其形状控制方法;观察到了加工微球凹透镜时产生应力波前的现象,并提出在90°C下退火处理20min的方法对应力波前导致的透镜边缘形变进行修复。最后,通过优化的激光加工参数,分别制备了微球凸透镜和微球凹透镜阵列,并进行了成像实验。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249

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本文编号：1258100