專利名稱：一種在玻璃材料中制作微通道的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納秒激光加工，特別是一種利用超聲波水輔助納秒激光在玻璃材料中 制備三維微通道的方法及裝置，本發(fā)明適用于在各種玻璃材料內部制備微納流體器件。
背景技術：
以微管道網絡為結構特征的微流控芯片是當前十分活躍的研究領域，在化學分 析、材料合成及細胞培養(yǎng)等領域都得到了應用。玻璃以其穩(wěn)定的上表面性質、好的透光性及 弱的熒光背景成為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濕法 腐蝕，即利用光刻技術在犧牲層制作圖案窗口，繼而使用化學腐蝕溶液進行腐蝕加工。對 于三維立體微通道的制備，還需要一系列諸如層疊和熔接等復雜的步驟。該方法所涉及的 光刻步驟需要昂貴的儀器和超凈室以及繁瑣的步驟，不利于在普通實驗室中推廣；而且由 于玻璃屬于各向同性材料，通過該方法成型的微通道通常具有較小的深寬比(最大0. 5左 右)，這大大限制了玻璃的應用范圍。飛秒激光是一種脈寬極窄(I(T15S)、峰值功率極高的超短脈沖激光。與長脈沖激 光加工相比，飛秒激光加工精度高、熱影響區(qū)域小，而且還能加工透明材料。利用飛秒激光 微加工技術有望克服上述傳統(tǒng)加工技術所面臨的各種困難，直接在玻璃材料內部加工出真 正的三維微通道。近年來，該技術引起了廣泛的重視，并得到飛速發(fā)展。采用飛秒激光輻照 輔以高溫熱處理或選擇性HF酸腐蝕的制備技術目前已在玻璃材料內部加工出長度為數(shù)厘 米、深寬比高達1000的三維微通道(參見文獻:Y. Liao, Y. F. Ju, L. Zhang, et al.，Optics Letters, Vol. 35，No. 19，P3225, 2010 和 F. He, Y. Cheng, Ζ. Ζ. Xu, et al.，Optics Letters, Vol.35,No. 3,P282,2010)o但是該技術生產效率低，飛秒激光直寫加工速度只有數(shù)十μ m/ s，而且飛秒激光器價格昂貴，難以大規(guī)模工業(yè)化生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題在于克服上述微通道制備技術所存在的生產效率低、成本高 和深寬比受限等缺點，提供一種在玻璃材料中制作微通道的方法及裝置。本發(fā)明提供的一種在玻璃材料中制作微通道的方法，其特征在于，該方法包括下 述步驟①將待刻寫的待加工玻璃材料置于超聲波環(huán)境中，并使玻璃下表面浸沒在潔凈的 水中，玻璃上表面裸露在空氣中；②將由納秒激光器發(fā)出的激光通過數(shù)值孔徑NA為0. 25 0. 7的聚焦鏡聚焦，聚 焦的納秒激光脈沖垂直待刻寫的待加工玻璃材料的上表面入射，納秒激光脈沖的焦點位于 待加工玻璃材料下表面；③按預先設定的掃描路徑從底往上移動由納秒激光器發(fā)出的激光束，直至在玻璃 內部直寫出三維微通道；所述的納秒激光的參數(shù)為脈寬5 30ns，波長355 1064nm，脈 沖頻率1 ΙΟΟΚΗζ，脈沖能量1 IOmJ0
實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括三維平臺、超聲波清洗機、支架和 聚集鏡；超聲波清洗機在工作時固定在三維平臺的水平工作臺上，用于安放待加工玻璃材 料的支架放置于超聲波清洗機的腔體內；聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸上，并位于支架 的上方。與現(xiàn)有的技術相比較，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、與傳統(tǒng)的光刻、化學腐蝕等表面微加工技術相比，水輔助納秒激光制備微通道 的優(yōu)勢在于該技術不需要設計專門的光刻模板，不需要化學處理過程，后期不需要層疊和 熔接等工序，直接在玻璃內部加工出三維微通道。2、與飛秒激光微加工技術相比，所采用的納秒激光器成本要低得多，而且加工速 度快，直寫速度可達到100mm/S，適合工業(yè)化應用；3、通過控制激光光斑大小以及編程控制工作臺的直寫速度和距離，可以制備任意 深寬比的微通道，通道的直徑最小可達到4 μ m ；4、有水輔助，超聲波加強，通道的內壁光潔度高；5、激光從待加工玻璃材料下表面開始加工，飛濺物和等離子體不影響入射激光照 射，可以保證通道的縱向形貌均一(通道入口、內部及出口尺寸高度一致)以及加工重復 性。


圖1為本發(fā)明所使用的超聲波水輔助納秒激光刻寫裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明利用超聲波水輔助納秒激光在玻璃中制備三維微通道的加工示意 圖。圖中，1為三維平臺，2為照明光源，3為超聲波清洗機，4為支架，5為納秒激光束， 6為聚集鏡，7為待加工玻璃材料，8為潔凈的水，9為鏡頭，10為CCD相機，11為超聲波發(fā)生 器，12為微通道，13為飛濺物。
具體實施例方式本發(fā)明采用的技術方案是一種在玻璃材料中制作微通道的方法，其步驟為①將待刻寫的待加工玻璃材料置于超聲波環(huán)境中，并使玻璃下表面浸沒在潔凈的 水中，玻璃上表面裸露在空氣中；將待加工玻璃材料下表面浸沒在潔凈的水(最好采用蒸餾水)中是因為當待加工 玻璃材料與水接觸，由于毛細管現(xiàn)象，水能流進激光刻寫的微通道，帶走刻寫時產生的玻璃 碎屑和等離子體，從而避免材料的再沉積和阻塞，保證微通道管壁整潔通暢。利用超聲波清洗提高加工質量，獲得高深寬比的微通道。激光刻蝕玻璃時與水接 觸會產生很強的等離子體擴張，從而產生很多水泡粘附在通道管壁上，如果不及時消除會 阻礙甚至終止激光刻蝕玻璃。玻璃是超聲波很好的導體，在水容器中很容易與超聲波耦合， 從而可借助超聲波來消除管壁上的水泡。具體原理是超聲波使水分子振動產生無數(shù)微小氣 泡，這些微小氣泡在正壓區(qū)迅速閉合而瞬間高壓爆破，形成無數(shù)微觀高壓沖擊波作用于通 道管壁上，從而推動管壁上的水泡向管口移動，直至消失。
②將由納秒激光器發(fā)出的激光通過數(shù)值孔徑NA為0. 25 0. 7的聚焦鏡聚焦，聚 焦的納秒激光脈沖垂直待刻寫的待加工玻璃材料的上表面入射，納秒激光脈沖的焦點位于 待加工玻璃材料下表面；選用高脈沖能量的納秒激光直寫，并用高數(shù)值孔徑的聚焦鏡，目的是在微小區(qū)域 獲得高的能量密度。聚焦后納秒激光的焦點附近具有超高電場強度，只要該值超過玻璃材 料的破壞閾值，即使玻璃材料本身在激光波長處不存在本征吸收，也會因激光誘導的多光 子吸收、多光子離子化等非線性反應，而導致玻璃材料的燒蝕。聚焦鏡的數(shù)值孔徑選擇根據 所要制備的三維微通道結構以及尺寸要求而定。③按設定的掃描路徑從底往上移動由納秒激光器發(fā)出的激光束，直至在玻璃內部 直寫出三維微通道。所述的納秒激光的參數(shù)為脈寬5 30ns，波長355 1064nm，脈沖頻 率1 IOOKHz，脈沖能量1 IOmJ0將納秒激光聚焦到待加工玻璃材料的下表面從底往上掃描，這樣做的目的是避免 了激光與材料作用產生的等離子體對加工過程的影響以及裂紋的產生，保證了重復加工的
一致性。為了定位，在納秒激光入射到待加工玻璃材料下表面時，可以采用CCD相機監(jiān)測 納秒激光焦點在待刻寫玻璃材料下表面的位置。所述的待加工玻璃材料材料包括石英玻璃、硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃 和氟化物玻璃。如圖1所示，本發(fā)明提供的裝置包括三維平臺1、超聲波清洗機3、支架4和聚集鏡 6 ；工作時，超聲波清洗機3固定在三維平臺1的水平工作臺上。超聲波清洗機3的 腔體內裝有潔凈的水8，超聲波發(fā)生器11安置在超聲波清洗機3底部，待加工玻璃材料7通 過支架4放置于腔體內，并使待加工玻璃材料7的下表面浸沒在潔凈的水8中，上表面裸露 在空氣中，納秒激光束5通過聚集鏡6聚集于待加工玻璃材料7的下表面。聚集鏡6固定 在三維平臺1的垂直軸上。聚集鏡6通常采用數(shù)值孔徑NA為0. 25 0. 7的顯微鏡物鏡。超聲波清洗機的功 率范圍為5 50W，超聲頻率為20 60KHz。本發(fā)明裝置還可以增設用于定位的C⑶相機 10和照明光源2，兩者分別位于待加工玻璃材料7的兩側。下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，以便于對本發(fā)明及其要點的理解，但不 應以此限制本發(fā)明的保護范圍。實例1 現(xiàn)已硅酸鹽玻璃為例來說明本發(fā)明方法，由圖1、2可見，本發(fā)明利用超聲波水輔 助納秒激光制備三維微通道的方法如下(1)將盛有蒸餾水的超聲波清洗機固定在三維平臺1的水平工作臺上，超聲波清 洗機3機身為透明材質，功率為50W，頻率20KHz。(2)將硅酸鹽待加工玻璃材料(尺寸為13mmX5mmX2mm)固定在超聲波清洗機中 的支架4上，待加工玻璃材料7下表面浸沒在蒸餾水中，上表面裸露在空氣中，同時將CCD 相機10連接到計算機上以便定位和實時觀察加工過程；(3)采用中心波長為1064nm、脈沖寬度為6ns、重復頻率為40kHz、脈沖能量可達4mJ的納秒激光作為刻寫激光束，調整好能量的納秒激光束5由顯微鏡物鏡(NA = 0. 45，工 作距離為19. 5mm)聚焦，聚焦的納秒激光束垂直入射到玻璃7的上表面，由C⑶相機10監(jiān)測 光斑在玻璃內的定位，通過調節(jié)移動平臺使納秒激光束的焦點達到石英玻璃下表面上。聚 焦后的光斑直徑為8 μ m ；CXD相機10為高速相機，幀速率為1000幀/秒，配5 X鏡頭9。(4)開啟超聲波清洗機電源，打開激光光閘，通過控制移動平臺按預設三維移動路 徑從底往上移動從而帶動樣品相對于激光焦點移動(如圖2所示)，直至三維微通道結構形 成。樣品中被激光聚焦照射的地方會被燒蝕，形成通道12，飛濺物13從底部飛出并融入水 中。三維平臺的移動速度為200 μ m/s，加工后的微通道直徑約為10 μ m,深度為2000 μ m,深 寬比為200。實例2-4 實例2-4采用表一中的器件和工藝參數(shù)，按照實例1相同的工作過程進行，加工后 的微通道參數(shù)如表二所示。表一實例2-4所采用的工藝參數(shù)
權利要求
1.一種在玻璃材料中制作微通道的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟①將待刻寫的待加工玻璃材料置于超聲波環(huán)境中，并使玻璃下表面浸沒在潔凈的水 中，玻璃上表面裸露在空氣中；②將由納秒激光器發(fā)出的激光通過數(shù)值孔徑NA為0.25 0. 7的聚焦鏡聚焦，聚焦的 納秒激光脈沖垂直待刻寫的待加工玻璃材料的上表面入射，納秒激光脈沖的焦點位于待加 工玻璃材料下表面；③按預先設定的掃描路徑從底往上移動由納秒激光器發(fā)出的激光束，直至在玻璃內部 直寫出三維微通道；所述的納秒激光的參數(shù)為脈寬5 30ns，波長355 1064nm，脈沖頻 率1 IOOKHz，脈沖能量1 IOmJ0
2.一種實現(xiàn)權利要求1所述方法的裝置，其特征在于，該裝置包括三維平臺、超聲波清 洗機、支架和聚集鏡；超聲波清洗機在工作時固定在三維平臺的水平工作臺上，用于安放待 加工玻璃材料的支架放置于超聲波清洗機的腔體內；聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸上， 并位于支架的上方。
3.根據權利要求2述的裝置，其特征在于，該裝置還包括CCD相機和照明光源，兩者分 別位于待加工玻璃材料的兩側。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在玻璃材料中制作微通道的方法及裝置，方法為①將待刻寫的待加工玻璃材料置于超聲波環(huán)境中，并使玻璃下表面浸沒在潔凈的水中，玻璃上表面裸露在空氣中；②將由納秒激光器發(fā)出的激光通過聚焦鏡聚焦，聚焦的納秒激光脈沖垂直待刻寫的待加工玻璃材料的上表面入射，納秒激光脈沖的焦點位于待加工玻璃材料下表面；③按預先設定的掃描路徑從底往上移動由納秒激光器發(fā)出的激光束，直至在玻璃內部直寫出三維微通道。該裝置包括三維平臺、超聲波清洗機、支架和聚集鏡。工作時，超聲波清洗機固定在三維平臺上；待加工玻璃材料通過支架放置于超聲波清洗機腔體內，聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸上。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術存在的生產效率低、成本高和深寬比受限等缺點。
文檔編號C03C23/00GK102092931SQ201010562248
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權日2010年11月26日
發(fā)明者曾曉雁, 段軍, 胡乾午, 蔡志祥 申請人:華中科技大學