[发明专利]一种紫外纳秒激光直写微流控芯片制备系统与方法

权利要求书

1.一种紫外纳秒激光直写微流控芯片制备系统，其特征在于：包括：紫外纳秒激光器(1)、电控光阑(2)、激光扩束器(3)、光束转换器(4)、光束旋转器(5)、透镜(6)、二向色镜(7)、激光切割头(8)、三维移动平台(9)以及控制装置(13)，其中，所述紫外纳秒激光器(1)输出的激光束为高斯光束，该高斯光束经过所述激光扩束器(3)扩束后进入所述光束转换器(4)，所述光束转换器(4)将入射的高斯光束转化为贝塞尔光束，之后所述贝塞尔光束进入所述光束旋转器(5)，所述光束旋转器(5)将快速旋转的贝塞尔光束生成环形光束，所述环形光束通过所述透镜(6)和所述二向色镜(7)进入所述激光切割头(8)，所述激光切割头(8)安装在所述三维移动平台(9)上，所述激光切割头(8)将所述环形光束传送至三维移动平台(9)承载的样品上，所述紫外纳秒激光器(1)、所述光束旋转器(5)、所述三维移动平台(9)分别与所述控制装置(13)通信连接；所述光束旋转器(5)可连续旋转并沿光路方向前后移动，所述光束转换器(4)由同心安装的二元相位板(41)与锥透镜(42)胶合组成；所述二元相位板(41)为在紫外熔融石英窗口片上镀金属银膜(43)，所述金属银膜(43)为多道同心圆环结构；

所述的光束旋转器(5)是将一光楔夹持在旋转结构(15)上，然后将旋转结构(15)固定在电控一维移动平台(16)上，所述光楔的倾斜角为0.8-1.2度，所述旋转结构(15)的旋转速度为400-500rpm。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述金属银膜(43)的同心圆环半径与入射光束尺寸、入射光波长以及聚焦透镜焦长密切相关，可根据下列公式推导而得：

在所述锥透镜(42)出射面位置(z＝0)的光场振幅为：

其中为入射光振幅，ω₀为入射光束的束腰尺寸，d为所述锥透镜(42)的中心位置厚度，a为所述锥透镜(42)顶点与双轴曲线交点的间距，β为所述锥透镜(42)锥角度二分之一，T(r)为所述二元相位板(41)的透射率函数，

其中circ(·)为圆函数，n为自然数，r为极坐标系的极径，r_n为第n个圆的半径,

所述透镜(6)和所述激光切割头(8)为具有不同焦长的聚焦透镜，光场振幅在经过所述透镜(6)和所述激光切割头(8)后表示为：

其中f_i为所述透镜(6)或激光切割头(8)的焦长，z_i为所述透镜(6)或激光切割头（ 8）沿光轴的位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述二向色镜(7)一侧设有聚光透镜(11)，所述聚光透镜(11)后侧设有图像捕获装置(12)，所述聚光透镜(11)前端设有照明光源(10)，所述图像捕获装置(12)与所述控制装置(13)通信连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光扩束器(3)与所述光束转换器(4)之间设有光束转向设备(14)，所述透镜(6)和所述二向色镜(7)之间设有光束转向设备(14)。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述紫外纳秒激光器(1)输出脉冲激光重复频率50kHz，中心波长355nm，脉冲宽度25纳秒，激光平均功率12W，由控制装置(13)控制紫外纳秒激光器(1)输出激光的开关和功率。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光扩束器(3)用于将直径0.8-1.2mm的中心波长为355nm的激光束扩束至直径为8-12mm。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述透镜(6)与所述光束转换器(4)之间的距离固定，所述二向色镜(7)将所述激光束以45度角反射至所述激光切割头(8)，并透射所述照明光源(10)以及样品表面的反射光，使得所述聚光透镜(11)与所述激光切割头(8)将所述三维移动平台(9)上承载的样品表面形貌成像于所述图像捕获装置(12)上。

8.一种紫外纳秒激光直写制备微流控芯片的方法，其特征在于：使用权利要求3所述的系统，包括以下步骤：

步骤1)准备样品，将所述样品表面清洁干燥后安装到三维移动平台(9)上，调节所述样品至激光切割头(8)焦平面位置；

步骤2)由紫外纳秒激光器(1)输出激光束，所述激光束的中心波长355nm，脉宽25ns，重复频率40kHz，光束模式为基模高斯，触发信号控制激光输出，通过触发信号的占空比调节激光输出功率；

步骤3)调节光束转换器(4)，使所述光束转换器(4)的中心与通过激光扩束器(3)后的激光束同轴；所述激光束依次通过所述光束转换器(4)的二元相位板(41)和锥透镜(42)；

步骤4)通过旋转所述光束旋转器(5)在所述激光切割头(8)的焦面上形成环形光束，所述环形光束的直径通过调节所述光束旋转器(5)到所述光束转换器(4)的距离来控制；

步骤5)调节二向色镜(7)使所述激光束经所述二向色镜(7)反射后正入射至所述激光切割头(8)，所述二向色镜(7)透射照明光源(10)以及样品表面的反射光，使得聚光透镜(11)与所述激光切割头(8)将样品表面形貌成像于图像捕获装置(12)上；

步骤6)通过所述控制装置(13)程序化设计控制激光输出功率和所述三维移动平台(9)的移动速度，从而在所述样品表面进行横向刻蚀；

步骤7)保持所述激光束的方向不变，控制所述三维移动平台(9)将所述样品需要深层刻蚀的位置移动到垂直于所述激光束的方向上，并再次曝光进行激光直写纵向刻蚀；

步骤8)重复步骤7，直至制备出具有预定深度的微流控芯片结构。