[发明专利]一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法

说明书

本发明属于飞秒激光应用技术领域，涉及一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法。本发明系统由交变电场电路系统与飞秒激光光路系统组成，包括飞秒激光器，光学元件，电压板，交流电源，变频器与纳米平移台等；本发明的微通道加工方法利用高频交变电流实现周期性变化的外加电场，使飞秒激光加工过程中的带电烧蚀产物在周期性高频交变电场的作用下进行相应频率的小幅度往复振动，或是使烧蚀产物极化后出现电荷不均匀导致受力不平衡出现往复振荡，实现加工产物的解离与碎片化，进而带动气泡等电中性烧蚀产物的振动解离过程。该方法可以有效地解决碎屑，残渣，气泡等烧蚀产物的排出，解决缺陷或光场波动带来的质量问题，同时避免引起样品的振动，得到高质量的高深径比微通道结构。

技术领域

本发明属于飞秒激光应用技术领域，涉及一种交变电场辅助飞秒激光加工微通道的系统及方法。

背景技术

微通道结构在生物化学分析、药物研究、细胞培养筛选等领域发挥着不可替代的作用。出于这些领域各自的需求，微通道的质量、深径比等特征在应用中极为重要。这些领域的研究往往要求微通道的质量极高，且直径在数十微米乃至数微米量级，对深度也有数百微米以上的需求。许多方法如传统的机械加工、电化学加工、离子束电子束加工都难以满足这些最基本的需求。在这种高质量、高深径比的制造需求驱使下，飞秒激光作为一种新兴的加工技术，在加工微通道结构方面展现出了非常大的优势。

利用飞秒激光加工微通道有三种普遍被采用的方法：

一是直接烧蚀微通道结构，通过飞秒激光直接去除材料实现微通道的制备，所得结果往往质量较差，深度受物镜数值孔径、激光原有的时间空间分布限制，深径比一般在20-30左右。

二是飞秒激光辅助化学刻蚀微通道，通过飞秒激光预先对材料进行结构与性质上的处理，然后通过合适的化学刻蚀试剂对改性后的结构进行反应刻蚀，实现微通道的制备，虽然可以得到深径比较高，质量较好的结果，但过程较为复杂，刻蚀程度难以控制，且刻蚀液往往为强酸强碱，不安全的同时对环境污染较大。

三是飞秒激光诱导背向湿法刻蚀技术，原理是通过将被加工材料安置在液体环境中，使飞秒激光聚焦在材料底部自下而上在溶液中实现材料的逐步烧蚀去除，令加工产生的碎屑被液体溶解后带离加工区域，最终形成所需要的微通道结构。该种方法也可得到深径比较高，质量较好的微通道结构，且液体环境往往为去离子水、常见盐溶液或是某些醇剂，腐蚀性小。但该种方法在微通道深度达到一定值，或是微通道直径小到某种程度时，由于加工产生的碎屑、残渣、气泡会团聚在一起形成体积较大的烧蚀产物，堵住已经加工形成的微通道，影响液体的进入以及后续激光能量的沉积，最终导致微通道结构加工的停止。同时，材料本身存在的一些缺陷或是加工过程中光场的偶然波动也会对微通道的加工过程产生一定的影响，导致加工质量变差，在孔壁上出现残渣、等残留物

如何解决飞秒激光诱导背向湿法刻蚀技术中的碎屑堵孔难题对高质量的微通道加工意义重大，有研究或是专利提出了利用超声振动实现液体环境的振动，进而带动已成形微通道结构中的碎屑、残渣与气泡的振动，实现这些大型烧蚀产物的碎片化与解离，进而以小型烧蚀产物的形式随着液体环境进行更新，不阻碍微通道烧蚀的进一步进行。然而，在超声辅助飞秒激光诱导背向湿法刻蚀微通道的过程中，由于引入了超声振动，本质上是一种机械振动，与液体环境的接触不可避免的会导致加工材料随着该振动进行一定频率、振幅的轻微抖动，会影响微通道的加工质量，使一致性(直线型微通道的直线度，曲线型微通道的圆度等)变差，更严重的可能会由于振幅过大导致微通道加工的提前中止，极大地影响加工结构的深径比。

因此，如何在不影响微通道加工过程中待加工样品/材料振动情况的同时，使碎屑、残渣、气泡等烧蚀产物顺利排出，并解决缺陷或光场波动带来的质量问题，是提高微通道质量与深径比的关键。

发明内容