本發(fā)明涉及激光應(yīng)用，特別是涉及一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法。

背景技術(shù)：

1、得益于玻璃優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、透明性、易于加工和表面處理等特性，玻璃內(nèi)部微通道在微通道反應(yīng)器、生物微流控芯片、集成電路領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和研究?jī)r(jià)值。這些應(yīng)用對(duì)玻璃內(nèi)部微通道的加工長(zhǎng)度和加工質(zhì)量提出了更高的要求，然而現(xiàn)階段玻璃內(nèi)部微通道的加工方式，如光刻技術(shù)、3d打印技術(shù)等，存在加工長(zhǎng)度短、加工質(zhì)量差、工藝復(fù)雜、成本高等缺陷。

2、飛秒激光憑借其超短的脈沖持續(xù)時(shí)間和超高的峰值功率，已被證實(shí)是在透明材料內(nèi)部加工微通道的有效方法，主要工藝有飛秒激光直接燒蝕和飛秒激光直接改性輔助化學(xué)刻蝕。文獻(xiàn)“optics&lasertechnology,2021,142:107201”利用飛秒激光成絲效應(yīng)在2mm厚的熔融石英上采用直接沖孔的方式加工出了毫米級(jí)深的微通道。文獻(xiàn)“opto-electronicadvances,2023,6:12-29”采用高重頻時(shí)空整形飛秒激光改性輔助化學(xué)刻蝕的工藝在光敏玻璃內(nèi)部制備了三維各向同性微通道。然而采用直接燒蝕的方法加工微通道時(shí)，加工質(zhì)量差、微裂紋嚴(yán)重、有較大的錐度，隨著加工深度的增加和熱量堆積，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的等離子體屏蔽效應(yīng)，影響繼續(xù)加工，而且所加工的多為縱向通道，而非橫向微通道。而采用直接改性和化學(xué)刻蝕的方法雖能加工出毫米級(jí)微通道，但需要引入許多額外的端口以便刻蝕液進(jìn)入，影響結(jié)構(gòu)的完整性。

3、因此，亟需一種可在玻璃內(nèi)部高效加工橫向大長(zhǎng)度、高質(zhì)量完整性微通道的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，采用飛秒激光光場(chǎng)整形及超聲輔助技術(shù)協(xié)同調(diào)控參數(shù)，并結(jié)合化學(xué)刻蝕，有效提升玻璃內(nèi)部微通道加工長(zhǎng)度與質(zhì)量，有效解決了傳統(tǒng)玻璃內(nèi)部微通道制造過(guò)程中加工長(zhǎng)度受限、微通道壁質(zhì)量差等問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，包括以下步驟：

4、將待加工玻璃材料經(jīng)過(guò)表面和側(cè)面的拋光預(yù)處理、超聲清洗和干燥處理，得到表面拋光的清潔玻璃材料；

5、通過(guò)多個(gè)反射透鏡將飛秒激光引至所述玻璃材料的表面上方，隨后經(jīng)過(guò)聚焦物鏡使飛秒激光垂直聚焦于所述玻璃材料的內(nèi)部；

6、利用超聲溶液輔助手段加以時(shí)域整形裝置對(duì)飛秒激光進(jìn)行處理，使飛秒激光在玻璃材料內(nèi)部制備微通道；

7、將具有微通道的玻璃材料浸入koh溶液中進(jìn)行刻蝕，得到具有大長(zhǎng)度微通道的玻璃樣品。

8、優(yōu)選地，所述待加工玻璃材料為肖特d263、af32、bf33、熔融石英中的一種。

9、優(yōu)選地，所述聚焦物鏡為放大倍數(shù)60x的水浸物鏡，掃描速度為0.5～100μm/s，激光單脈沖能量為0.2μj～4μj。

10、優(yōu)選地，在利用超聲溶液輔助手段加以時(shí)域整形裝置對(duì)飛秒激光進(jìn)行處理，使飛秒激光在玻璃材料內(nèi)部制備微通道的過(guò)程中，包括：將玻璃材料固定于載玻片上，隨后將載玻片固定在載物臺(tái)上，并將載物臺(tái)固定在位移臺(tái)上調(diào)平，置于超聲池中；隨后在超聲池中加入乙醇溶液，開(kāi)啟超聲進(jìn)行處理；隨后所述飛秒激光通過(guò)時(shí)域整形裝置整形處理后，飛秒激光的加工掃描方向?yàn)閺牟ＡР牧系倪吘壷敛ＡР牧系膬?nèi)部，在玻璃材料內(nèi)部加工出微通道；最后將加工掃描后的玻璃材料通過(guò)乙醇溶液超聲清洗和干燥，得到具有微通道的玻璃材料。

11、優(yōu)選地，所述時(shí)域整形裝置為yvo4晶體或邁克爾遜干涉儀，所述飛秒激光經(jīng)時(shí)域整形裝置被整形為延時(shí)范圍為0.42ps～10.46ps的雙脈沖或0.21ps～5.23ps的四脈沖序列，子脈沖能量比為1:1或1:1:1:1。

12、優(yōu)選地，在將具有微通道的玻璃材料浸入koh溶液中進(jìn)行刻蝕，得到具有大長(zhǎng)度微通道的玻璃樣品的過(guò)程中，包括：首先通過(guò)koh固體和去離子水配制一定濃度的koh溶液，以用于對(duì)玻璃材料進(jìn)行選擇性刻蝕；隨后將通過(guò)乙醇溶液超聲清洗和干燥后的玻璃材料置于所配置的koh溶液中，隨后置于超聲裝置中進(jìn)行刻蝕；最后將刻蝕后的玻璃材料通過(guò)酒精超聲清洗和干燥處理，得到具有大長(zhǎng)度微通道的玻璃樣品。

13、優(yōu)選地，所述koh溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt％。

14、優(yōu)選地，將帶有所述玻璃材料的koh溶液置于超聲裝置中進(jìn)行刻蝕，刻蝕環(huán)境為80℃超聲環(huán)境，超聲刻蝕時(shí)間為3h。

15、優(yōu)選地，實(shí)現(xiàn)飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的裝置包括：

16、飛秒激光器，用于產(chǎn)生飛秒激光；

17、光闌，所述飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光首先經(jīng)過(guò)所述光闌，所述光闌用于限制飛秒激光的光束直徑，控制光能量分布并減少雜散光干擾；

18、反射鏡，經(jīng)過(guò)光闌調(diào)節(jié)后的飛秒激光通過(guò)所述反射鏡改變傳播方向；

19、二分之一波片和偏振分束器pbs，飛秒激光依次通過(guò)所述二分之一波片和偏振分束器pbs，所述二分之一波片和pbs共同構(gòu)成電動(dòng)能量衰減系統(tǒng)以調(diào)節(jié)飛秒激光能量；

20、yvo4晶體，從pbs出來(lái)的飛秒激光進(jìn)入所述yvo4晶體，所述yvo4晶體對(duì)飛秒激光進(jìn)行時(shí)域整形，使飛秒激光被分為特定的脈沖序列；

21、二向色鏡組，經(jīng)過(guò)yvo4晶體整形的飛秒激光通過(guò)所述二向色鏡組，所述二向色鏡組根據(jù)飛秒激光的波長(zhǎng)特性選擇性地反射或透射激光，以保證飛秒激光按預(yù)定路徑傳輸；

22、60x水浸物鏡，通過(guò)二向色鏡組的飛秒激光由所述60x水浸物鏡聚焦后作用在玻璃材料內(nèi)部進(jìn)行微通道加工；

23、ccd相機(jī)，借助照明光源和二向色鏡組對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察；

24、平移臺(tái)，用于承載和移動(dòng)玻璃樣品；

25、超聲池，為加工過(guò)程提供超聲輔助，配合激光作用排出加工過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑，提高微通道的加工長(zhǎng)度和質(zhì)量，并為刻蝕過(guò)程提供80℃的超聲擾動(dòng)環(huán)境。

26、優(yōu)選地，所述飛秒激光加工玻璃內(nèi)部微通道的參數(shù)為：激光脈寬為290fs，單脈沖能量為0.1～200μj，波長(zhǎng)為1030nm，重復(fù)頻率為1～200khz，加工速度為0.5～100μm/s。

27、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開(kāi)了以下技術(shù)效果：

28、(1)本發(fā)明通過(guò)不同厚度yvo4晶體實(shí)現(xiàn)飛秒激光時(shí)域整形，將單脈沖線偏振激光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪逼竦饶茏用}沖序列，同時(shí)采用超聲溶液輔助，利用氣泡射流排出碎屑、緩解等離子體屏蔽效應(yīng)，解決氣泡淤積問(wèn)題，提升加工極限能力，實(shí)現(xiàn)均勻微通道和改性區(qū)制備，增強(qiáng)了橫向微通道制備能力。

29、(2)本發(fā)明在超聲輔助加工微通道基礎(chǔ)上引入化學(xué)刻蝕，利用koh溶液刻蝕并超聲擾動(dòng)，沿均勻改性區(qū)選擇性刻蝕，有效延長(zhǎng)了玻璃內(nèi)部微通道的長(zhǎng)度。

30、(3)本發(fā)明通過(guò)調(diào)控子脈沖序列、偏振方向、激光能量、頻率、加工速度及超聲溶液配比等參數(shù)，改變材料物化特性和組織結(jié)構(gòu)，加快刻蝕速率，顯著提高刻蝕長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)微通道刻蝕速率可調(diào)控，提升加工質(zhì)量。

技術(shù)特征：

1.一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，所述待加工玻璃材料為肖特d263、af32、bf33、熔融石英中的一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，所述聚焦物鏡為放大倍數(shù)60x的水浸物鏡，掃描速度為0.5～100μm/s，激光單脈沖能量為0.2μj～4μj。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，在利用超聲溶液輔助手段加以時(shí)域整形裝置對(duì)飛秒激光進(jìn)行處理，使飛秒激光在玻璃材料內(nèi)部制備微通道和改性區(qū)的過(guò)程中，包括：將玻璃材料固定于載玻片上，隨后將載玻片固定在載物臺(tái)上，并將載物臺(tái)固定在位移臺(tái)上調(diào)平，置于超聲池中；隨后在超聲池中加入乙醇溶液，開(kāi)啟超聲進(jìn)行處理；隨后所述飛秒激光通過(guò)時(shí)域整形裝置整形處理后，飛秒激光的加工掃描方向?yàn)閺牟ＡР牧系倪吘壷敛ＡР牧系膬?nèi)部，在玻璃材料內(nèi)部加工出微通道；最后將加工掃描后的玻璃材料通過(guò)乙醇溶液超聲清洗和干燥，得到具有微通道的玻璃材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，所述時(shí)域整形裝置為yvo4晶體或邁克爾遜干涉儀，所述飛秒激光經(jīng)時(shí)域整形裝置被整形為延時(shí)范圍為0.42ps～10.46ps的雙脈沖或0.21ps～5.23ps的四脈沖序列，子脈沖能量比為1:1或1:1:1:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，在將具有微通道的玻璃材料浸入koh溶液中進(jìn)行刻蝕，得到具有大長(zhǎng)度微通道的玻璃樣品的過(guò)程中，包括：首先通過(guò)koh固體和去離子水配制一定濃度的koh溶液，以用于對(duì)玻璃材料進(jìn)行選擇性刻蝕；隨后將通過(guò)乙醇溶液超聲清洗和干燥后的玻璃材料置于所配置的koh溶液中，隨后置于超聲裝置中進(jìn)行刻蝕；最后將刻蝕后的玻璃材料通過(guò)酒精超聲清洗和干燥處理，得到具有大長(zhǎng)度微通道的玻璃樣品。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，所述koh溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt％。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，將帶有所述玻璃材料的koh溶液置于超聲裝置中進(jìn)行刻蝕，刻蝕環(huán)境為80℃超聲環(huán)境，超聲刻蝕時(shí)間為3h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的裝置包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，其特征在于，所述飛秒激光加工玻璃內(nèi)部微通道的參數(shù)為：激光脈寬為290fs，單脈沖能量為0.1～200μj，波長(zhǎng)為1030nm，重復(fù)頻率為1～200khz，加工速度為0.5～100μm/s。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種飛秒激光在玻璃內(nèi)部加工微通道的方法，屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，包括：將待加工玻璃材料經(jīng)過(guò)拋光預(yù)處理、超聲清洗和干燥處理，得到表面拋光的清潔玻璃材料；通過(guò)多個(gè)反射透鏡將飛秒激光引至玻璃材料表面上方，經(jīng)過(guò)聚焦物鏡使其垂直聚焦于玻璃材料的內(nèi)部；利用超聲溶液輔助手段加以時(shí)域整形裝置對(duì)飛秒激光進(jìn)行處理，使飛秒激光在玻璃材料內(nèi)部制備微通道和改性區(qū)；將具有微通道的玻璃材料浸入KOH溶液中進(jìn)行刻蝕，得到具有大長(zhǎng)度微通道的玻璃樣品。本發(fā)明采用飛秒激光光場(chǎng)整形及超聲輔助協(xié)同調(diào)控參數(shù)，并結(jié)合化學(xué)刻蝕，有效提升玻璃內(nèi)部微通道加工長(zhǎng)度與質(zhì)量，有效解決傳統(tǒng)玻璃內(nèi)部微通道制造過(guò)程加工長(zhǎng)度受限、微通道壁質(zhì)量差等問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：姜瀾,張炳凱,胡潔
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15