[發明專利]一種基于液體輔助飛秒激光在線刻蝕的微通道加工系統

在審

• 申請號: 201911140271.6
• 申請日: 2019-11-20
• 公開（公告）號: CN110883433A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 姜瀾;閆劍鋒;李佳群
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京理工大學
• 主分類號: B23K26/362
• 分類號: B23K26/362;B23K26/122;B23K26/064;B23K26/03;B23K26/70
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

本發明涉及一種基于液體輔助飛秒激光在線刻蝕的微通道加工系統，屬于飛秒激光應用技術領域。本發明的微通道加工系統，包括飛秒激光器、光學元件以及容器、六維平移臺和工業照相機等；飛秒激光器出射的飛秒激光經準直系統后入射到加工物鏡的上方，經加工物鏡聚焦后照射在位于六維平移臺上容器內的待加工樣品上。本發明的微通道加工系統，由于是在刻蝕液中進行飛秒激光掃描改性或是燒蝕，伴隨著化學刻蝕的同步進行，因此能夠實現高效率、高質量、高深徑比的微通道燒蝕，完成較復雜的3D結構的直接加工。

技術領域

本發明涉及一種基于液體輔助飛秒激光在線刻蝕的微通道加工系統，屬于飛秒激光應用技術領域。

背景技術

微流體系統作為一種常見結構，在生物芯片、化學分析、藥物研究等領域有著非常重要的作用，而微通道作為微流體系統最重要的組成部分，微通道的深徑比、質量、精度等特征在研究中有著至關重要的地位。飛秒激光作為一種新興的加工技術，在加工微通道結構方面有非常大的優勢。

傳統應用飛秒激光加工微通道的方法主要有飛秒激光直接燒蝕微通道、液體輔助飛秒激光燒蝕微通道與飛秒激光輔助化學刻蝕加工微通道。飛秒激光直接燒蝕微通道是最簡易、直接的方法，但是加工得到的微通道錐度較大，且深徑比較小，應用范圍較窄。液體輔助飛秒激光燒蝕由于其對排屑問題的優化基本解決了上述問題。液體輔助飛秒激光燒蝕加工微通道主要工作原理是在液體環境下進行飛秒激光的燒蝕，等離子體與碎屑被液體溶解后帶離加工區域，保證在深度方向上燒蝕的持續進行，得到沒有錐度的微通道，因此具備了一定的三維加工能力。但隨著微通道深度的增加，以及三維結構的復雜程度加深，排屑問題仍舊阻礙了微通道的進一步發展。在此基礎上，利用飛秒激光預先改性材料，進而結合化學刻蝕加工微通道的方法，在一定程度上使得微通道能夠具有十分復雜的三維結構，但整個過程存在步驟較多，且效率偏低等問題。因此，如何滿足微通道加工過程中對于高深徑比、高精度、高質量的要求，同時解決排屑問題與效率問題，成為了飛秒激光微通道加工的關鍵。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于液體輔助飛秒激光在線刻蝕的微通道加工系統，對已有的微通道加工系統的結構進行改進，以解決現有傳統飛秒激光加工微通道時存在的幾個問題，在預先配置的刻蝕液中直接應用飛秒激光進行改性刻蝕，調控加工過程的速度與激光參數，實現復雜三維結構的微通道加工。

本發明提出的基于液體輔助飛秒激光在線刻蝕的微通道加工系統，包括飛秒激光器、半波片、偏振片、光闌、機械快門、第一反射鏡、第二反射鏡、二向色鏡、加工物鏡、容器、六維平移臺、半透半反鏡、成像透鏡、工業照相機和白光光源；其中：

所述的飛秒激光器、半波片、偏振片、光闌和機械快門依次設置在第一光軸上，飛秒激光器出射的飛秒激光經過半波片、偏振片、光闌和機械快門后，再依次經過第一反射鏡、第二反射鏡與二向色鏡，入射到加工物鏡的上方，經加工物鏡聚焦后照射在位于六維平移臺上的容器中，待加工樣品置于容器中；

所述的半波片與偏振片共同構成能量調節系統，對飛秒激光器出射的飛秒激光的能量進行調節，并使出射飛秒激光的偏振方向為水平；

所述的二向色鏡，以及位于二向色鏡一側的成像透鏡、工業照相機和白光光源構成正面成像單元，通過正面成像單元，從工業照相機得到微通道加工的實時成像照片；

所述的六維平移臺用于移動待加工樣品，實現待加工樣品與飛秒激光的相互運動，使飛秒激光進行特定軌跡的掃描。

上述微通道加工系統中，所述的飛秒激光器產生的飛秒激光的參數為：飛秒激光脈沖重復頻率為10-1000Hz，單個脈沖能量為0.05-200μJ，飛秒激光聚焦前束腰直徑為3-9mm，飛秒激光掃描速度為0.4μm/s-100μm/s。

本發明提出的一種基于液體輔助飛秒激光在線刻蝕的微通道加工系統，其優點是：