基于飞秒激光光束整形的三维阵列微结构图案化加工方法研究

The human understanding of the nature of life science and the pursuit of health have greatly promoted the application of microfluidic technology in the life sciences. The three-dimensional array micro-structure is the key to realize of multi-function integration and ease operation of microfluidic chip. However, traditional semiconductor processing methods, nano imprinting, and soft lithography cannot meet the requirements for three-dimensional processing of various materials. It is need to develop new processing methods urgently. Because femtosecond laser is ultra-fast and super-strong, it can realize three-dimensional, high-precision and cold ablation. However, the processing efficiency of femtosecond laser is the main bottleneck for their practical application. Based on these, this project proposes to use femtosecond laser, combine with laser beam shaping technology, realize the pattern fabrication of three-dimension array microstructure. Study the control method of spatial beam shaping accuracy, and use pump-detection technology to analyze large area ablation transients process. A multi-energy field will be introduced to study the regulation mechanism of material processing threshold, explore a new method to reduce the material processing threshold. Study the the relationship between the micro-structure surface characteristics and the processing technology, and a microfluidic chip processing parameters-microstructure-device performance related model based on femtosecond laser patterning processing will be established. Achieve high precision and high efficiency femtosecond laser fabrication of three-dimensional array micro-structured typical devices.

人类对生命科学本质的认知和对健康的追求，极大地促进了微流控技术在生命科学领域中的应用。三维阵列微结构是实现微流控芯片高集成度和易操作性的关键，但传统半导体加工方法、纳米压印和软光刻等技术无法满足多种材料的三维加工需求，亟待探索新型加工方法。飞秒激光凭借其超快、超强的特性，可实现多种材料的三维高精度冷加工，但目前其加工效率是其实用化的主要瓶颈。基于此，本项目提出以飞秒激光为加工工具，结合激光光束整形技术，实现图案化加工阵列微结构的解决方案。研究空间光束整形精度的控制方法；利用泵浦探测技术分析图案化烧蚀瞬态加工过程，引入多能场研究材料加工阈值的调控机制，探索降低材料加工阈值的新方法；研究微结构表面特性与加工工艺的映射关系，建立基于飞秒激光图案化加工的微流控芯片工艺参数-微观结构-器件性能的关联模型，实现典型三维阵列微结构器件的飞秒激光高精度、高效率制造。

高性能三维微流控芯片的高效率、高精度加工向传统制造技术提出了挑战。飞秒激光制造突破传统制造方法局限，在多种材料及三维结构制造方面具有显著优势，结合激光图案化动态调控技术，可望为三维器件制造提供新途径和方法。虽然在利用飞秒激光整形加工方面已取得一些进展，但针对飞秒激光大面积图案化烧蚀加工的研究尚未见报道，对图案化加工精度的控制策略、材料去除阈值的调控机制与方法、体内微通道表面特性的表征与优化等问题缺乏研究。针对上述问题，本研究对阵列微结构飞秒激光图案化加工成形机理、精度控制已开展深层次研究。.加工机理方面，实现飞秒激光材料烧蚀阈值分析，探索液体辅助方法降低材料激光烧蚀阈值。阐明其机理为液体烧蚀过程中形成的气泡具有较大的反冲动量，在酒精中其烧蚀阈值由空气中的2.22Jcm-2降低为1.02Jcm-2，相同激光作用时能对熔融石英表面产生更强的破坏作用，并发现在酒精溶液中具有较高的加工效率。由此可见，液体辅助加工方法显著减低了熔融石英表面烧蚀阈值。加工工艺方面，为提高加工精度分析了激光能量，激光重复频率和激光偏振态对切割质量的影响规律，并对于激光偏振态不仅会影响切割质量还对切割尺寸也有影响。分析飞秒激光切割石英玻璃过程中，背面损伤形成的物理机制，并在此基础上，调控激光偏振态可以有效降低加工件背部损伤。此外，提出将样品背部浸润在液体中辅助加工，大幅降低背部烧蚀，在激光高精密加工中被应用。为提高加工效率，开展基于空间光调制器的加工研究。搭建了飞秒激光并行加工光路系统，并对系统开展伽马校正和波前像差校正。利用为了提高整形光束质量和能量利用效率，实现叠加闪耀光栅和菲涅尔透镜等辅助相位全息图。利用相位全息法在金属和聚合物材料表面实现高质量阵列孔、沟槽和微柱结构加工多。上述研究成果为高深径比微结构加工提供有效方法，并且利用空间光调制器加工阵列微结构在油水分离和气体收集等领域得到应用，为超快激光快速、超精密制造奠定技术基础。