[发明专利]飞秒激光在透明硬脆材料上加工微纳米尺度通孔的方法

说明书

本发明涉及一种飞秒激光在透明硬脆材料上加工微纳米尺度通孔的方法，属于激光应用技术领域。本发明的目的是为了解决现有方法在微纳米尺度通孔加工中成本高、效率低的问题。该方法将飞秒激光空间整形成贝塞尔光束，通过控制贝塞尔光束的直径可连续调节在透明硬脆材料内部形成的改性孔尺寸，结合平移台的移动实现改性孔阵列加工，再通过湿法刻蚀形成盲孔阵列，最后利用磨抛机磨抛去除多余材料形成微纳米尺度通孔。该方法加工的微纳米通孔出口尺寸可调、可加工大面积阵列、单孔加工时间短、加工效率高、成本低，可应用于细胞筛选和DNA分子测序等领域。

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光在透明硬脆材料上加工微纳米尺度通孔的方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

微纳米尺度通孔作为一种常见结构，被广泛应用于航空、生物、化工、新能源等领域。以生物领域为例，微米通孔可以实现对目标细胞的筛选，纳米通孔可以借助电泳驱动实现分子筛选或DNA测序。但是微纳米尺度通孔的强度和有限的稳定性已经成为生物化学纳米孔研究的主要障碍。透明硬脆材料玻璃具有耐磨性好，强度高，透光性好等特点，使用玻璃加工微纳米尺度通孔可有效地解决在大流量情况下强度和稳定性不足的问题。对于硬脆材料如玻璃、蓝宝石等微纳米通孔，一般采用反应离子束或高能电子束的方法进行加工，这些方法能够准确的在硬脆材料上加工出高精度的微纳米尺度孔，但这些方法所需成本极高、操作复杂、加工时间长。以反应离子束加工为例，在厚度为150μm的玻璃板上加工一个直径为30μm的通孔，至少需要10个小时，反应离子束加工市场价格为1000元/小时，并且还需定制额外的掩模板。因此迫切需要一种成本低、操作简单、加工效率高的方法在硬脆材料上加工微纳米尺度的通孔。

发明内容

本发明的目的是为了解决在硬脆材料上加工微纳米尺度通孔成本高、效率低的问题，提供一种飞秒激光在透明硬脆材料上加工微纳米尺度通孔的方法。该方法首先通过150mm平凸透镜+20×显微物镜(NA＝0.45)构成4f缩束系统，将通过2°锥透镜形成的贝塞尔光束进行缩束并聚焦到样品表面，根据微纳米尺度通孔的目标尺寸范围要求，定量调节贝塞尔光束的直径和六自由度精密位移平台的移动进行改性孔阵列加工，之后将样品放入氢氧化钾(KOH)溶液中刻蚀一定时间后，利用磨抛机定量去除剩余的样品厚度，最后将样品反向放置于光学显微镜或扫描电子显微镜下进行观察，选择出口尺寸符合要求范围内的微纳米尺度通孔。这种方法通过定量控制贝塞尔光束的入射光斑直径来调节改性孔长度，结合湿法刻蚀和定量磨抛去除多余材料进而灵活调节出口尺寸，可调性好、成本低、加工效率高，可应用于细胞筛选和DNA分子测序等领域。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

飞秒激光在透明硬脆材料上加工微纳米尺度通孔的方法，具体步骤如下：

步骤一：根据微纳米尺度通孔的目标尺寸范围、待加工样品的厚度设计贝塞尔光束的缩束倍率，缩束系统用于调整光束长度和提高能量密度；

步骤二：利用机械开关和衰减片分别对辐照到玻璃样品上的脉冲数和脉冲能量进行控制，并结合计算机控制系统控制六自由度精密位移平台运行加工程序，得到改性微米尺度盲孔阵列，盲孔末端具有倒锥状结构，在此过程中，飞秒激光辐照在样品内部区域的材料结构由硅氧六元环转变为硅氧三元环或硅氧四元环，；

步骤三：将样品放入KOH溶液中并引入超声振荡进行刻蚀，由于硅氧三元环或硅氧四圆环结构相比于硅氧六元环结构更易被KOH溶液腐蚀，因此在飞秒激光加工过的区域会优先生成微通道而未改性区域则几乎无变化；

步骤四：由于盲孔末端为锥形，磨抛去除厚度越大，得到的微纳米通孔出口直径越大，因此根据设计的盲孔尺寸和大小，利用磨抛机定量去除剩余的厚度；

步骤五：将磨抛后的样品放置在光学/扫描电子显微镜下，寻找阵列中出口尺寸符合目标范围的微纳米通孔并对其标记。