[发明专利]一种在玻璃材料中制作微通道的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及纳秒激光加工，特别是一种利用超声波水辅助纳秒激光在玻璃材料中制备三维微通道的方法及装置，本发明适用于在各种玻璃材料内部制备微纳流体器件。

背景技术

以微管道网络为结构特征的微流控芯片是当前十分活跃的研究领域，在化学分析、材料合成及细胞培养等领域都得到了应用。玻璃以其稳定的上表面性质、好的透光性及弱的荧光背景成为普遍使用的微流控芯片材料。目前玻璃芯片的加工主要基于光刻和湿法腐蚀，即利用光刻技术在牺牲层制作图案窗口，继而使用化学腐蚀溶液进行腐蚀加工。对于三维立体微通道的制备，还需要一系列诸如层叠和熔接等复杂的步骤。该方法所涉及的光刻步骤需要昂贵的仪器和超净室以及繁琐的步骤，不利于在普通实验室中推广；而且由于玻璃属于各向同性材料，通过该方法成型的微通道通常具有较小的深宽比(最大0.5左右)，这大大限制了玻璃的应用范围。

飞秒激光是一种脉宽极窄(10^-15s)、峰值功率极高的超短脉冲激光。与长脉冲激光加工相比，飞秒激光加工精度高、热影响区域小，而且还能加工透明材料。利用飞秒激光微加工技术有望克服上述传统加工技术所面临的各种困难，直接在玻璃材料内部加工出真正的三维微通道。近年来，该技术引起了广泛的重视，并得到飞速发展。采用飞秒激光辐照辅以高温热处理或选择性HF酸腐蚀的制备技术目前已在玻璃材料内部加工出长度为数厘米、深宽比高达1000的三维微通道(参见文献：Y.Liao，Y.F.Ju，L.Zhang，et al.，Optics Letters，Vol.35，No.19，P3225，2010和F.He，Y.Cheng，Z.Z.Xu，et al.，Optics Letters，Vol.35，No.3，P282，2010)。但是该技术生产效率低，飞秒激光直写加工速度只有数十μm/s，而且飞秒激光器价格昂贵，难以大规模工业化生产。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述微通道制备技术所存在的生产效率低、成本高和深宽比受限等缺点，提供一种在玻璃材料中制作微通道的方法及装置。

本发明提供的一种在玻璃材料中制作微通道的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

①将待刻写的待加工玻璃材料置于超声波环境中，并使玻璃下表面浸没在洁净的水中，玻璃上表面裸露在空气中；

②将由纳秒激光器发出的激光通过数值孔径NA为0.25～0.7的聚焦镜聚焦，聚焦的纳秒激光脉冲垂直待刻写的待加工玻璃材料的上表面入射，纳秒激光脉冲的焦点位于待加工玻璃材料下表面；

③按预先设定的扫描路径从底往上移动由纳秒激光器发出的激光束，直至在玻璃内部直写出三维微通道；所述的纳秒激光的参数为：脉宽5～30ns，波长355～1064nm，脉冲频率1～100KHz，脉冲能量1～10mJ。

实现上述方法的装置，其特征在于，该装置包括三维平台、超声波清洗机、支架和聚集镜；超声波清洗机在工作时固定在三维平台的水平工作台上，用于安放待加工玻璃材料的支架放置于超声波清洗机的腔体内；聚集镜固定在三维平台的垂直轴上，并位于支架的上方。

与现有的技术相比较，本发明的优点在于：

1、与传统的光刻、化学腐蚀等表面微加工技术相比，水辅助纳秒激光制备微通道的优势在于：该技术不需要设计专门的光刻模板，不需要化学处理过程，后期不需要层叠和熔接等工序，直接在玻璃内部加工出三维微通道。

2、与飞秒激光微加工技术相比，所采用的纳秒激光器成本要低得多，而且加工速度快，直写速度可达到100mm/s，适合工业化应用；

3、通过控制激光光斑大小以及编程控制工作台的直写速度和距离，可以制备任意深宽比的微通道，通道的直径最小可达到4μm；

4、有水辅助，超声波加强，通道的内壁光洁度高；

5、激光从待加工玻璃材料下表面开始加工，飞溅物和等离子体不影响入射激光照射，可以保证通道的纵向形貌均一(通道入口、内部及出口尺寸高度一致)以及加工重复性。

附图说明

图1为本发明所使用的超声波水辅助纳秒激光刻写装置的示意图；

图2为本发明利用超声波水辅助纳秒激光在玻璃中制备三维微通道的加工示意图。

图中，1为三维平台，2为照明光源，3为超声波清洗机，4为支架，5为纳秒激光束，6为聚集镜，7为待加工玻璃材料，8为洁净的水，9为镜头，10为CCD相机，11为超声波发生器，12为微通道，13为飞溅物。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是：

一种在玻璃材料中制作微通道的方法，其步骤为：