【摘要】：微流體系統(tǒng)是近年來生物、化學(xué)、制造領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微通道,尤其是較大長徑比的微通道是微全分析系統(tǒng)和其它微流體系統(tǒng)或裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。石英玻璃、有機(jī)玻璃PMMA等透明介質(zhì)材料由于其較好的光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)特性,是構(gòu)建許多微流體系統(tǒng)最為理想的基底。超快激光,尤其是飛秒激光的發(fā)展使得其成為了在透明材料中制備微通道結(jié)構(gòu)的有力工具。然而飛秒激光微通道制造仍面臨著諸多挑戰(zhàn),例如:(1)制造精度、長徑比和微通道表面粗糙度等要求不斷推向新的極端;(2)加工效率方面,目前飛秒激光微通道制造主要仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,無法兼顧其精度和效率,在解決工程制造問題以及進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的時(shí)候仍有大量的研究工作需要開展。針對上述挑戰(zhàn),我們提出了電子動態(tài)調(diào)控時(shí)空整形飛秒激光微通道制備新方法,基于飛秒激光超快和超強(qiáng)的優(yōu)勢,通過對其進(jìn)行時(shí)域和空域上的單獨(dú)或協(xié)同整形,調(diào)控飛秒激光能量在時(shí)間和空間上的分布,進(jìn)而調(diào)控光子-電子相互作用過程,調(diào)控瞬時(shí)納米尺度電子動態(tài)(電子密度、溫度、激發(fā)態(tài)分布等),調(diào)控電子-聲子的后續(xù)相互作用過程,從而實(shí)現(xiàn)對材料最終相變過程和加工加工的改善,實(shí)現(xiàn)高精度高效率高長徑比的三維微通道制造,以滿足不斷提升的制造要求。本論文根據(jù)上述科學(xué)思路,選取了石英玻璃和有機(jī)玻璃兩種代表性透明介質(zhì)材料,開展了電子動態(tài)調(diào)控時(shí)空整形飛秒激光在透明介質(zhì)內(nèi)部加工微通道的實(shí)驗(yàn)研究,主要研究工作包括:(1)搭建電子動態(tài)調(diào)控飛秒激光時(shí)空整形加工光路,進(jìn)行一維和二維微通道的制備;(2)研究了飛秒激光直接燒蝕加工一維微通道過程中各加工參數(shù)(脈沖個(gè)數(shù)、聚焦深度等)對微通道直徑、深度和深徑比的影響;(3)改變加工環(huán)境,研究真空條件下飛秒激光直接燒蝕加工一維微通道與空氣條件下的差異;(4)通過對飛秒激光進(jìn)行時(shí)間整形,產(chǎn)生脈沖序列,研究其對制備微通道時(shí)加工精度和加工效率的影響;(5)通過對飛秒激光進(jìn)行空間整形,產(chǎn)生貝塞爾光束,研究其對制備微通道時(shí)加工精度和加工質(zhì)量的影響;(6)通過對飛秒激光進(jìn)行時(shí)空協(xié)同整形,產(chǎn)生貝塞爾光束脈沖序列,研究其對制備微通道時(shí)加工效率的影響。本論文所取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:(1)通過自行搭建的雙脈沖光路進(jìn)行了不同子脈沖延遲的一維微通道打孔加工,發(fā)現(xiàn)微通道的深度在脈沖延遲為零時(shí)最大,這表明時(shí)間整形飛秒激光在數(shù)倍至數(shù)十倍閾值的能量范圍內(nèi)難以發(fā)揮正面作用,原因在于在高能量情況下,產(chǎn)生的自由電子和后續(xù)等離子體的密度和溫度都極高,強(qiáng)相變和強(qiáng)燒蝕決定加工結(jié)果的形貌,脈沖序列對電子狀態(tài)的影響較弱。而在飛秒激光輻照輔助化學(xué)刻蝕加工微通道的方法中,發(fā)現(xiàn)在近燒蝕閾值的能量范圍內(nèi),通過在時(shí)間上將傳統(tǒng)飛秒激光脈沖整形成雙脈沖序列,在均勻改性區(qū)內(nèi),由于光電耦合效率的增強(qiáng)以及更均勻的改性,雙脈沖序列改性區(qū)的刻蝕率是單脈沖序列的10倍;在納米光柵改性區(qū)內(nèi),后續(xù)子脈沖會破壞光場和等離子體波的干涉,形成一種與偏振無關(guān)的無序連通微納結(jié)構(gòu),從而可以消除微通道加工對偏振的依賴性,加工三維微通道時(shí),雙脈沖序列加工的結(jié)果其長度可達(dá)單脈沖序列的7倍。(2)通過對高斯激光進(jìn)行空間整形改變其能量及對應(yīng)自由電子密度的空間分布,使用matlab對空間光強(qiáng)分布進(jìn)行了模擬,并用相同的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加工,極大地提高微通道的深徑比和質(zhì)量,深徑比提高了50倍,與模擬結(jié)果吻合較好,且加工質(zhì)量有明顯改善,體現(xiàn)了空間整形飛秒激光在加工一維微通道方面的巨大優(yōu)勢。使用空間整形飛秒激光并結(jié)合真空環(huán)境進(jìn)行一維微通道加工的工藝應(yīng)用在國家“點(diǎn)火工程”中微靶靶球充氣孔(充氣通道)的制備中,對其加工起到了關(guān)鍵支撐作用。(3)通過對飛秒激光同時(shí)進(jìn)行時(shí)間上和空間上的復(fù)合整形,在飛秒激光輻照輔助化學(xué)刻蝕的過程中,材料在貝塞爾光束的作用下產(chǎn)生的等離子體波以及材料的流體動力學(xué)運(yùn)動又會與入射的貝塞爾光束干涉光場之間發(fā)生干涉和耦合,從而改變改性區(qū)的微觀形貌,使周期性點(diǎn)列結(jié)構(gòu)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu),從而極大地提高刻蝕率和微通道深徑比,相比常規(guī)貝塞爾光束的加工結(jié)果,提高了至少12倍,并且輻照改性過程無需加工樣品的移動,進(jìn)一步提升了飛秒激光的加工能力和加工效率。本論文研究內(nèi)容來源于以下科研項(xiàng)目:科技部“973”計(jì)劃項(xiàng)目“激光微納制造新方法和尺度極限基礎(chǔ)研究(項(xiàng)目編號:2011cb013000)”、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目“基于脈沖序列設(shè)計(jì)和共振吸收激光微納跨尺度制造及理論”(項(xiàng)目編號:90923039)以及國家“點(diǎn)火工程”重大專項(xiàng)“精密微加工技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號:gfzx02040203.5)。本文中電子動態(tài)調(diào)控飛秒激光加工新方法被選定為國家“點(diǎn)火工程”中微靶靶球充氣孔(充氣通道)的加工工藝,實(shí)現(xiàn)了高深徑比、高質(zhì)量微孔(微通道)加工,達(dá)到了合同規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)要求,對靶丸染料充氣微孔(微通道)加工起到了關(guān)鍵支撐作用。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新成果均發(fā)表在光學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)等國際國內(nèi)主流雜志上,其中sci檢索論文5篇(本人第一作者1篇),ei檢索論文4篇(本人第一作者或?qū)煹谝槐救说诙髡?篇),大會特邀報(bào)告2次,申請國家發(fā)明專利1項(xiàng)。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG665
【圖文】：

其中(a)是用于進(jìn)行對細(xì)菌的行為進(jìn)行監(jiān)測的，(b)是一個(gè)微流體病毒檢測系統(tǒng)。圖1.1 典型的芯片實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)用于：(a)細(xì)菌行為監(jiān)測，(b)病毒檢測[3]微通道(Microchannels)，尤其是較大長徑比的微通道是微全分析系統(tǒng)和其它微流體系統(tǒng)或裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。芯片實(shí)驗(yàn)室利用一維、二維甚至三維的微通道構(gòu)建的微通道網(wǎng)絡(luò)來傳輸、混合、分離和分析極小量的生物或化學(xué)樣本流體(小于 10-12升)，其主要優(yōu)勢在于檢測靈敏度高、分析速度快、樣本和試劑消耗小、測量自動化和標(biāo)準(zhǔn)化[4]。其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋生物化學(xué)研究(基因?qū)W、蛋白質(zhì)學(xué)、細(xì)胞學(xué))、化學(xué)合成和制藥、高效率醫(yī)學(xué)和生化檢測、環(huán)境以及生化威脅的監(jiān)測[5]。由于芯片實(shí)驗(yàn)室極小化和集成化的能力，使得生命科學(xué)迎來了一次全新的飛躍和變革，如同集成微電子芯片催生了如今的信息社會。芯片實(shí)驗(yàn)室的基底材料目前一般為硅、玻璃以及 PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，有機(jī)玻璃)、PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)等聚合物材料。其中石英玻璃、有機(jī)玻璃等透明介質(zhì)材料由于具有較好的光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)特性

[8]。圖1.2 傳統(tǒng)的光刻工藝流程近年來，飛秒激光微納制造技術(shù)(Femtosecond laser micro/nano fabricationtechnology)已經(jīng)成為制備微通道一個(gè)全新的強(qiáng)有力的工具。激光微納制造技術(shù)是當(dāng)下最熱門的激光應(yīng)用領(lǐng)域之一，集成了許多相關(guān)學(xué)科的最新成果，近幾十年來世界各國都非常關(guān)注和重視[9]。自從激光器問世以來，激光微納制造技術(shù)就被廣泛地應(yīng)用在許多領(lǐng)域，其主要加工方法包括激光直寫加工、激光干涉誘導(dǎo)微納加工、近場納米加工、脈沖激光沉積等。由于激光具有亮度高、方向性好、單色性強(qiáng)、相干性好、偏振可控等一系列獨(dú)特特性，在能量、時(shí)間和空間方面可選擇的范圍寬，而且可進(jìn)行精確協(xié)調(diào)控制，這使其在許多領(lǐng)域，特別是三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納制造方面具有明顯優(yōu)勢。例如 Kato 等使用微透鏡陣列將一束激光分成上百束

[40]。圖1.4 飛秒激光制備的各種光學(xué)元器件：(a)光波導(dǎo)[26]，(b)光柵[34]，(c)光子晶體[35]，(d)光存儲元件[38]1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前使用飛秒激光進(jìn)行微通道制造主要有兩種方式：(1)飛秒激光輻照輔助化學(xué)刻蝕(Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching, FLICE)；(2)液體輔助飛秒激光燒蝕(Liquid-assisted Femtosecond Laser Drilling，LAFLD)。此外，飛秒激光改性輔助熱處理加工微通道也具有一定的應(yīng)用。事實(shí)上，一維的微通道很多時(shí)候也可以叫做微孔(microholes)，對于微孔與微通道結(jié)構(gòu)目前尚無明確的區(qū)分，從形狀和結(jié)構(gòu)上來講它們也無明顯區(qū)別和界限

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 王國彪;;光制造科學(xué)與技術(shù)的現(xiàn)狀和展望[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2011年21期

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本文編號：2750451