一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，属于飞秒激光应用技术领域。本发明专利技术的微通道加工系统，包括飞秒激光器、光学元件以及容器、六维平移台和工业照相机等；飞秒激光器出射的飞秒激光经准直系统后入射到加工物镜的上方，经加工物镜聚焦后照射在位于六维平移台上容器内的待加工样品上。本发明专利技术的微通道加工系统，由于是在刻蚀液中进行飞秒激光扫描改性或是烧蚀，伴随着化学刻蚀的同步进行，因此能够实现高效率、高质量、高深径比的微通道烧蚀，完成较复杂的3D结构的直接加工。

A microchannel machining system based on liquid assisted femtosecond laser on-line etching

【技术实现步骤摘要】
一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统
本专利技术涉及一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，属于飞秒激光应用

技术介绍
微流体系统作为一种常见结构，在生物芯片、化学分析、药物研究等领域有着非常重要的作用，而微通道作为微流体系统最重要的组成部分，微通道的深径比、质量、精度等特征在研究中有着至关重要的地位。飞秒激光作为一种新兴的加工技术，在加工微通道结构方面有非常大的优势。传统应用飞秒激光加工微通道的方法主要有飞秒激光直接烧蚀微通道、液体辅助飞秒激光烧蚀微通道与飞秒激光辅助化学刻蚀加工微通道。飞秒激光直接烧蚀微通道是最简易、直接的方法，但是加工得到的微通道锥度较大，且深径比较小，应用范围较窄。液体辅助飞秒激光烧蚀由于其对排屑问题的优化基本解决了上述问题。液体辅助飞秒激光烧蚀加工微通道主要工作原理是在液体环境下进行飞秒激光的烧蚀，等离子体与碎屑被液体溶解后带离加工区域，保证在深度方向上烧蚀的持续进行，得到没有锥度的微通道，因此具备了一定的三维加工能力。但随着微通道深度的增加，以及三维结构的复杂程度加深，排屑问题仍旧阻碍了微通道的进一步发展。在此基础上，利用飞秒激光预先改性材料，进而结合化学刻蚀加工微通道的方法，在一定程度上使得微通道能够具有十分复杂的三维结构，但整个过程存在步骤较多，且效率偏低等问题。因此，如何满足微通道加工过程中对于高深径比、高精度、高质量的要求，同时解决排屑问题与效率问题，成为了飞秒激光微通道加工的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，对已有的微通道加工系统的结构进行改进，以解决现有传统飞秒激光加工微通道时存在的几个问题，在预先配置的刻蚀液中直接应用飞秒激光进行改性刻蚀，调控加工过程的速度与激光参数，实现复杂三维结构的微通道加工。本专利技术提出的基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，包括飞秒激光器、半波片、偏振片、光阑、机械快门、第一反射镜、第二反射镜、二向色镜、加工物镜、容器、六维平移台、半透半反镜、成像透镜、工业照相机和白光光源；其中：所述的飞秒激光器、半波片、偏振片、光阑和机械快门依次设置在第一光轴上，飞秒激光器出射的飞秒激光经过半波片、偏振片、光阑和机械快门后，再依次经过第一反射镜、第二反射镜与二向色镜，入射到加工物镜的上方，经加工物镜聚焦后照射在位于六维平移台上的容器中，待加工样品置于容器中；所述的半波片与偏振片共同构成能量调节系统，对飞秒激光器出射的飞秒激光的能量进行调节，并使出射飞秒激光的偏振方向为水平；所述的二向色镜，以及位于二向色镜一侧的成像透镜、工业照相机和白光光源构成正面成像单元，通过正面成像单元，从工业照相机得到微通道加工的实时成像照片；所述的六维平移台用于移动待加工样品，实现待加工样品与飞秒激光的相互运动，使飞秒激光进行特定轨迹的扫描。上述微通道加工系统中，所述的飞秒激光器产生的飞秒激光的参数为：飞秒激光脉冲重复频率为10-1000Hz，单个脉冲能量为0.05-200μJ，飞秒激光聚焦前束腰直径为3-9mm，飞秒激光扫描速度为0.4μm/s-100μm/s。本专利技术提出的一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，其优点是：1、本专利技术的微通道加工系统，由于是在刻蚀液中进行飞秒激光扫描改性或是烧蚀，伴随着化学刻蚀的同步进行，因此能够实现高效率的微通道加工。2、本专利技术的微通道加工系统，由于在传统液体辅助加工的基础上利用刻蚀液作为液体环境，使得加工碎屑可以直接溶解在液体环境中，避免了碎屑团聚后无法排出所导致的加工停滞。同时，飞秒激光与加工材料和液体相互作用而产生的局部高温，高温使得刻蚀液中的离子运动加快，同时使得刻蚀反应过程的平衡常数增大，因此有助于刻蚀过程的进一步进行，可以实现高质量、高深径比的微通道加工，完成较复杂的3D结构的直接加工。附图说明图1为本专利技术提出的基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统的结构示意图。具体实施方式本专利技术提出的基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，其结构如图1所示，包括飞秒激光器1、半波片2、偏振片3、光阑4、机械快门5、第一反射镜6、第二反射镜7、二向色镜8、加工物镜9、容器11、六维平移台12、半透半反镜13、成像透镜14、工业照相机15和白光光源16；其中：所述的飞秒激光器1、半波片2、偏振片3、光阑4和机械快门5依次设置在第一光轴上，飞秒激光器1发出的飞秒激光经过半波片2、偏振片3、光阑4和机械快门5后，再依次经过第一反射镜6、第二反射镜7与二向色镜8，入射到加工物镜9的上方，经加工物镜9聚焦后照射在位于六维平移台12上的容器11中，待加工样品10置于容器11中；所述的半波片2与偏振片3共同构成能量调节系统，对飞秒激光器1出射的飞秒激光的能量进行调节，并使出射飞秒激光的偏振方向为水平；所述的二向色镜8，以及位于二向色镜8一侧的成像透镜14、工业照相机15和白光光源16构成正面成像单元，通过正面成像单元，从工业照相机15得到微通道加工的实时成像照片。所述的六维平移台12用于移动待加工样品10，实现待加工样品与飞秒激光的相互运动，使飞秒激光进行特定轨迹的扫描。上述的微通道加工系统中，所述的飞秒激光器产生的飞秒激光的参数为：飞秒激光脉宽为35fs，重复频率1Hz-1KHz可调，脉冲重复频率为10-1000Hz，单个脉冲能量为0.05-200μJ，呈空间高斯分布；飞秒激光聚焦前束腰直径为3-9mm，飞秒激光扫描速度为0.4μm/s-100μm/s。以下结合附图和实施例，详细介绍本专利技术微通道加工系统的工作原理和工作过程：实施例1：以KOH溶液为刻蚀液，应用飞秒激光在石英玻璃样品中加工微通道。本实施例的具体加工步骤如下：样品准备：准备10mm×20mm×2mm的石英玻璃样品，用99.9％浓度的无水乙醇清洗后，作为待加工样品。光路调节：打开飞秒激光器1，等待20-30分钟后激光器出光稳定，将各光路元件依按图1顺序置入光学平台，之后将飞秒激光进行准直调节，使飞秒激光在未聚焦的情况下能照射在石英玻璃样品表面边缘上。设定飞秒激光器1的飞秒激光脉冲重复频率为1000Hz，飞秒激光聚焦前束腰直径控制在5mm。在六维平移台12的控制下，在加工光路末端确定加工物镜9的焦平面，使加工物镜9的焦点正好位于待加工样品10的表面边缘。配置KOH刻蚀液：称量40gKOH固体，溶解于60ml超纯水中，得到质量分数为40％的KOH溶液，待溶液冷却后将其加入到容器中直至没过样品表面。调节六维平移台12的高度，使得经过折射率较大的溶液后，飞秒激光聚焦焦点仍位于待加工样品的上表面边缘。然后向上移动待加工样品，使得飞秒激光聚焦焦点相对于样品下沉，但未低于待加工样品的下表面。打开机械快门5，同时使六维平移台12以0.4μm/s的移动速度沿着平移台x轴方向向待加工样品内部移动。待加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，其特征在于，包括飞秒激光器、半波片、偏振片、光阑、机械快门、第一反射镜、第二反射镜、二向色镜、加工物镜、容器、六维平移台、半透半反镜、成像透镜、工业照相机和白光光源；其中：/n所述的飞秒激光器、半波片、偏振片、光阑和机械快门依次设置在第一光轴上，飞秒激光器出射的飞秒激光经过半波片、偏振片、光阑和机械快门后，再依次经过第一反射镜、第二反射镜与二向色镜，入射到加工物镜的上方，经加工物镜聚焦后照射在位于六维平移台上的容器中，待加工样品置于容器中；/n所述的半波片与偏振片共同构成能量调节系统，对飞秒激光器出射的飞秒激光的能量进行调节，并使出射飞秒激光的偏振方向为水平；/n所述的二向色镜，以及位于二向色镜一侧的成像透镜、工业照相机和白光光源构成正面成像单元，通过正面成像单元，从工业照相机得到微通道加工的实时成像照片；/n所述的六维平移台用于移动待加工样品，实现待加工样品与飞秒激光的相互运动，使飞秒激光进行特定轨迹的扫描。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于液体辅助飞秒激光在线刻蚀的微通道加工系统，其特征在于，包括飞秒激光器、半波片、偏振片、光阑、机械快门、第一反射镜、第二反射镜、二向色镜、加工物镜、容器、六维平移台、半透半反镜、成像透镜、工业照相机和白光光源；其中：
所述的飞秒激光器、半波片、偏振片、光阑和机械快门依次设置在第一光轴上，飞秒激光器出射的飞秒激光经过半波片、偏振片、光阑和机械快门后，再依次经过第一反射镜、第二反射镜与二向色镜，入射到加工物镜的上方，经加工物镜聚焦后照射在位于六维平移台上的容器中，待加工样品置于容器中；
所述的半波片与偏振片共同构成能量调节系统，对飞秒激光器出射的飞秒激光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，闫剑锋，李佳群，
申请(专利权)人：清华大学，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11