[发明专利]一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法

说明书

本发明公开了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向的移动三维定位机构。本发明具有非接触、高精度、均匀性好和热影响区小等优点，在制备微米级光响应液晶弹性体梳齿方面具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法。

背景技术

大自然为仿生研究者提供了许多模仿的例子。通过模仿生物的刺激响应行为，科学家们开发出了各种智能刺激响应材料(如水凝胶、形状记忆聚合物、液晶聚合物等)。智能刺激响应材料可在外界刺激下产生机械形变，在致动器、仿生器件、人工肌肉及微马达等领域具有广阔应用前景。

作为一种刺激响应材料，液晶聚合物具有分子质量轻、比强度高、耐疲劳等优点，其有序的液晶结构还赋予了材料各向异性及分子间协同作用，极大提高了材料的响应速度和弯曲应变。液晶弹性体是液晶聚合物经过适当交联后获得的材料，兼具液晶和弹性体的双重特性，通过改变液晶基元的排列即可产生形变。常见用于诱导液晶弹性体产生形变的刺激方式主要包括：光、热、电场、磁场及湿度等。相比之下，光刺激具有非接触、远程精确操控、无污染、性能易于调控等优势，已从众多刺激方式中脱颖而出，成为智能液晶聚合物研究的前沿方向。

目前基于光驱动的液晶弹性体一般通过在液晶聚合物中加入光敏基团，如偶氮苯实现。偶氮苯在紫外光或蓝光照射下产生顺反异构化可引起液晶基元排列的变化，从而使液晶弹性体产生可逆变形。利用液晶弹性体在光照下产生的形变特性，人们已经将其应用在人工肌肉、微纳机器人、光致执行器及微流体驱动等领域。

现有的液晶弹性体制造方法一般需要在液晶盒内对液晶进行取向，加工出的液晶弹性体尺寸通常较大(长/宽在毫米级以上)。对于一些特定应用场合，如基于光驱动的微型执行器/机器人等，常需要微小尺寸的液晶弹性体作为构件。传统的机械加工技术难以满足此要求，而FIB切割、电子束掩膜加工等效率低、成本高、周期长。飞秒加工作为一种新兴的加工技术，具有超短激光脉冲、超高峰值功率及热影响区小等优点，是微米级光响应液晶弹性体梳齿加工的一种经济且有效的手段。

发明内容

本发明提供一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置和方法，旨在解决现有技术在加工光响应液晶弹性体梳齿方面效率低、耗时长、成本高、热影响区大等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种飞秒激光加工光响应液晶弹性体梳齿的装置，包括：提供飞秒激光的飞秒激光器；用于对飞秒激光功率大小进行调整的功率调节元件；对飞秒激光光束大小进行调整的光束调节元件；对调节好光束大小和功率大小的激光分别进行扩束和聚焦操作的扩束元件和聚焦元件；以及用于对待加工光响应液晶弹性体薄膜样品进行定位，并实现对待加工样品三维方向移动的三维定位机构。

本发明中，所述飞秒激光器的出射激光能量通过调节激光脉冲重复频率实现，通过调节激光脉冲重复频率，可以对输出的激光功率(能量)进行初次的调整，使得其接近工作功率。本发明液晶弹性体薄膜通过夹持装置固定于移动三维定位机构上，计算机控制平移台上液晶弹性体薄膜移动，使飞秒激光对其进行烧蚀切割，进而实现微米级光响应液晶弹性体梳齿的制备。

作为优选，所述功率调节元件选自中性密度衰减片或者光学半波片和光学检偏器的组合。作为进一步优选，利用功率调节元件(比如中性密度衰减片)连续调节飞秒激光的能量，使其高于待加工液晶弹性体薄膜烧蚀阈值，达到最佳工作功率。

作为优选，所述光束调节元件为光阑，调节后激光的束腰直径为2～5mm。作为进一步优选，所述光阑用于调节飞秒激光的束腰直径为3mm。