[发明专利]皮秒激光诱导石英玻璃内部裂纹实现微流控器件制备的方法

说明书

本发明公开了一种皮秒激光诱导石英玻璃内部裂纹实现微流控器件制备的方法，先利用聚焦的时域调控皮秒激光在石英玻璃中辐照产生空间选择性微纳裂纹区域，然后通过化学腐蚀将辐照区域去除得到中空且连通的三维微结构，从而实现石英玻璃内部微通道结构的三维制备。本发明通过调控皮秒激光的脉冲宽度可实现偏振不敏感的三维均一性腐蚀，同时具有高的化学腐蚀速率和选择性，适用于大尺寸三维微流控系统制造和高精度三维打印玻璃结构等领域。

技术领域

本发明涉及三维微通道和微流控器件的制造方法，特别是一种利用皮秒激光诱导石英玻璃内部裂纹实现微流控器件制备的方法。本发明适用于大尺寸石英玻璃微流控系统制备、高精度三维打印玻璃结构等领域。

背景技术

微流控芯片技术，作为一种革命性的技术，当前已在化学分析、化工合成、生物制药、医疗诊断、光子学等领域展现出重要应用。微通道作为微流控芯片的核心单元，其高性能和多功能制备技术对于提升微流控芯片技术的发展具有重要意义。相对于目前普遍得到应用的二维微通道，三维微通道可为微流控芯片技术的进一步技术革新提供更加灵活、更加高效的微尺度空间流体操控能力。

石英玻璃由于其高的耐热性和化学稳定性，低的热膨胀系数，宽的光谱透射范围和良好的生物相容性，是微流控芯片技术目前广泛采用的基底之一。当前在石英玻璃内部制备三维微通道的最具代表性的技术是飞秒激光三维微加工。通过调控聚焦飞秒激光的脉冲能量可在石英玻璃内部诱导出高度非线性的改性如纳米光栅、微空洞等，进而可通过不同途径制备出三维空间构型灵活可控的微通道结构。其中，利用飞秒激光辐照诱导偏振依赖的化学选择性腐蚀是目前研究最广泛、最具应用前景的技术途径之一。通过调控聚焦线偏振飞秒激光的偏振取向，使得激光偏振方向垂直于激光直写方向时，腐蚀速率可得到大大提升（C. Hnatovsky, et al., Opt. Lett. 2005, 30, 1867–1869; M. Hermans, etal., J. Laser Micro Nanoeng. 2014, 9, 126–131）。但是利用这一技术制备三维微通道时，特征结构空间取向的不同会带来腐蚀速度的很大差异，进而会对影响微通道结构的制备效果，譬如会产生锥状的三维微通道。而利用圆偏振光，虽然可以获得三维的均一性腐蚀效果(X. M. Yu, et al., J. Appl. Phys. 2011, 109, 053114)，但是相对于线偏振光而言，腐蚀速率大大降低，不利于微通道的高性能可控制备。而为了获得更高的腐蚀速率，在辐照过程随着直写方向的改变实时变换激光的偏振方向会增加加工系统和加工过程的复杂度。因此，寻求一种简便、可控、三维均一性好的石英玻璃三维微通道制备技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对当前飞秒激光制备三维微通道的不足，提供一种简便、可控、三维可控的石英玻璃微通道以及微流控器件制备方法。

实现本发明目的的具体技术方案如下：

一种利用皮秒激光诱导石英玻璃内部裂纹实现微流控器件制备的方法，该方法包括下列步骤：

步骤1：皮秒激光辐照

将石英玻璃样品固定在一台可编程三维位移平台上，通过显微物镜将时域调控的皮秒激光聚焦在石英玻璃样品上，驱动位移平台运动同时启动皮秒激光辐照，在石英玻璃样品内部中直写出所需要的内含微纳裂纹的三维微通道图案；

步骤2：选择性化学腐蚀

将皮秒激光辐照后的石英玻璃样品放入化学腐蚀溶液中，对所述的三维微通道图案进行空间选择性腐蚀去除，进而在石英玻璃样品内部获得具有三维几何构型的微通道结构。

所述的时域调控的皮秒激光的脉冲宽度为1-20 ps，重复频率为1-1000 kHz，聚焦物镜的数值孔径为0.1-1.4。

所述的化学腐蚀溶液为5-20 mol/L 氢氧化钾溶液（80-95℃）或1-20% 氢氟酸溶液。

与现有的技术相比较，本发明的优点在于：