本文關(guān)鍵詞：飛秒激光內(nèi)加工三維空腔微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

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【摘要】：利用具有高峰值功率密度、短脈沖寬度的飛秒激光在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部直寫加工中空微結(jié)構(gòu)的技術(shù),可以解決采用傳統(tǒng)的表面加工方法制備集成芯片系統(tǒng)時(shí),加工速度慢、處理工序多、產(chǎn)品成功率低以及復(fù)雜空間型結(jié)構(gòu)難以制備等問題,因此在未來集成微芯片系統(tǒng)的制作方面具有廣泛的應(yīng)用前景。本文以聚合物電介質(zhì)材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為主要研究對(duì)象,對(duì)利用飛秒激光在PMMA中制備連續(xù)或離散的空腔型結(jié)構(gòu)的加工方法進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,主要內(nèi)容包括:利用Raman光譜學(xué)的研究方法判斷在PMMA內(nèi)加工的過程中光致分解的主要途徑;利用低脈沖重復(fù)頻率的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器在PMMA內(nèi)制作具有三維復(fù)雜構(gòu)型的連續(xù)中空微通道結(jié)構(gòu);利用高脈沖重復(fù)頻率的光纖飛秒激光器在PMMA中制備離散的內(nèi)嵌式微球透鏡結(jié)構(gòu)等。本論文主要的研究工作和取得的成果如下:1.研究了飛秒激光在PMMA中內(nèi)加工空腔結(jié)構(gòu)的機(jī)理。當(dāng)高功率密度的飛秒激光脈沖被緊聚焦于透明電介質(zhì)材料中時(shí),材料將通過非線性光電離及雪崩電離產(chǎn)生等離子體,此后將發(fā)生如色心形成或微爆炸等復(fù)雜的弛豫過程,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料改性或刻蝕。內(nèi)加工的弛豫機(jī)制隨選用激光的重復(fù)頻率變化而有所差別,當(dāng)采用低重復(fù)頻率的飛秒激光脈沖序列對(duì)材料進(jìn)行輻照時(shí),激光脈沖對(duì)材料的作用是相互獨(dú)立的;而采用高重復(fù)頻率的飛秒激光加工時(shí),熱積累效應(yīng)將在加工中起主導(dǎo)作用。研究了飛秒激光內(nèi)加工PMMA的分解途徑與在表面加工時(shí)的區(qū)別。當(dāng)表面加工PMMA時(shí),長(zhǎng)鏈PMMA分子在激光作用下將主要發(fā)生側(cè)鏈的斷裂,從而分解出CO2、CH4等氣體小分子。在內(nèi)加工過程中,由于激光聚焦影響區(qū)域在空間上受到周圍材料的高度約束,PMMA分子在重復(fù)的脈沖作用下將同時(shí)發(fā)生主鏈和側(cè)鏈的高度分解,產(chǎn)生氣體分子和自由基;自由基又將通過交聯(lián)反應(yīng)生成具有復(fù)雜三維空間網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)聚合物。2.利用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器在PMMA中直寫制備了連續(xù)空腔型微通道結(jié)構(gòu)。在不經(jīng)任何氣體或液體輔助排屑的條件下,采用Bottom-Up的加工方式并配合進(jìn)液口和排液口的擴(kuò)孔及修復(fù)操作,即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大管徑、構(gòu)型復(fù)雜的內(nèi)嵌式三維微通道結(jié)構(gòu)的快速加工。獲得的微通道經(jīng)液體注射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通暢性完好,通道的透光性及親水性優(yōu)良,滿足微流控芯片制作的基本要求。具體細(xì)致地研究了激光功率、掃描速度、加工深度、掃描次數(shù)和激光沉積總能量等因素對(duì)微通道加工質(zhì)量的影響。其中,激光功率的變化將導(dǎo)致被加工結(jié)構(gòu)發(fā)生三類變化,影響橫截面形狀的主要因素為加工中的非線性自聚焦效應(yīng)和激光成絲現(xiàn)象;隨著掃描速度的增加,微通道橫截面的尺寸呈先上升、后下降的趨勢(shì),等離子體對(duì)激光造成的反射和散射在低速掃描時(shí)對(duì)加工質(zhì)量有重要影響;激光加工深度的增加將導(dǎo)致通道橫截面直徑呈近線性下降;掃描次數(shù)的增加將導(dǎo)致通道橫截面直徑在水平和垂直方向皆呈近線性增長(zhǎng),且沿激光入射反方向的增長(zhǎng)更為明顯,考慮與激光支持吸收波的產(chǎn)生有關(guān);在激光功率和加工時(shí)間相同的條件下,通道橫截面尺寸的變化受到掃描次數(shù)的影響較大;而在單位長(zhǎng)度沉積能量相同的條件下對(duì)定長(zhǎng)通道加工時(shí),激光功率的選擇對(duì)加工效果影響則更為顯著。3.利用高重復(fù)頻率光纖飛秒激光器在PMMA中制備了離散的內(nèi)嵌式微球透鏡結(jié)構(gòu),主要分為微球凸透鏡(VMBL)和微球凹透鏡(CMBL)兩類結(jié)構(gòu)。其中,微球凸透鏡折射率的增加與高重復(fù)頻率飛秒激光脈沖的熱積累效應(yīng)所導(dǎo)致的PMMA的“熔化-重凝”過程有關(guān);而微球凹透鏡的制作主要依靠PMMA分子在熱積累效應(yīng)和非線性光電離的共同影響下斷鏈生成氣體分子,氣體分子在馬拉高尼對(duì)流的作用下聚集于激光加工中心位置,并在激光作用停止后形成氣體空腔,空腔周圍環(huán)繞的熔池區(qū)域在凝固后形成結(jié)構(gòu)致密的殼層。詳細(xì)研究了激光功率、聚焦物鏡、曝光時(shí)間和重復(fù)頻率等對(duì)微球透鏡加工質(zhì)量的影響。其中,制作微球凸透鏡的激光功率窗口相對(duì)較窄,在50×物鏡聚焦條件時(shí)約在90m W附近;而微球凹透鏡則可在400m W~1.5W的功率區(qū)間內(nèi)進(jìn)行制備。微球凹透鏡的空腔直徑和熱影響區(qū)直徑在激光輻照前期快速增長(zhǎng),而后則呈相對(duì)緩慢的近線性增長(zhǎng)特征。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同的激光平均功率條件下,激光重復(fù)頻率對(duì)微球透鏡的尺寸無明顯影響。研究了微球透鏡結(jié)構(gòu)發(fā)展隨時(shí)間變化的特征,觀察并分析了微球凹透鏡隨輻照時(shí)間的結(jié)構(gòu)發(fā)展過程,發(fā)現(xiàn)了微球凸透鏡在制備后的冷卻過程中出現(xiàn)的直徑少量增長(zhǎng)及折射率下降的現(xiàn)象。利用內(nèi)嵌式微球透鏡,成功構(gòu)造了倒置微望遠(yuǎn)系統(tǒng)。其中,以微球凸透鏡為前鏡的望遠(yuǎn)系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)清晰成像;而以微球凹透鏡為前鏡的系統(tǒng)則主要具有超廣角成像的能力,能對(duì)放置于透鏡周圍近4π空間的光源成像。研究了微球凹透鏡的光學(xué)性能及其形狀控制方法;觀察到了加工微球凹透鏡時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力波前的現(xiàn)象,并提出在90°C下退火處理20min的方法對(duì)應(yīng)力波前導(dǎo)致的透鏡邊緣形變進(jìn)行修復(fù)。最后,通過優(yōu)化的激光加工參數(shù),分別制備了微球凸透鏡和微球凹透鏡陣列,并進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN249

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1 ;我國(guó)高效率太瓦級(jí)飛秒激光裝置建成[J];光機(jī)電信息;2000年11期

2 王雷劍;張海峰;張?bào)K;徐永生;;飛秒激光系統(tǒng)的運(yùn)行和改進(jìn)[J];中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào);2005年00期

3 王亞偉;劉瑩;卜敏;王立峰;;飛秒激光與生物組織作用原理及其應(yīng)用[J];激光與紅外;2008年01期

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5 狄建科;周明;楊海峰;戴娟;;飛秒激光與生物細(xì)胞作用機(jī)理及應(yīng)用[J];激光生物學(xué)報(bào);2008年02期

6 何芝君;;飛秒激光在半透明物質(zhì)中的微爆破及應(yīng)用[J];文山師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào);2008年03期

7 楊海峰;周明;狄建科;趙恩蘭;蔡蘭;;飛秒激光活細(xì)胞微手術(shù)研究[J];光電子.激光;2009年04期

8 ;飛秒激光術(shù)=安全“新視界”?[J];發(fā)明與創(chuàng)新(綜合版);2009年09期

9 王麗;邱建榮;;飛秒激光在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2010年01期

10 席煒;;更快、更高、更強(qiáng)——飛秒激光[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2010年02期

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1 魏志義;王兆華;田金榮;令維軍;賈玉磊;張軍;韓海年;王鵬;孫敬華;鄭加安;張杰;聶玉昕;;飛秒激光功能擴(kuò)展及精確控制[A];第六屆全國(guó)光學(xué)前沿問題研討會(huì)論文摘要集[C];2003年

2 曾紹群;;飛秒激光的聲光掃描與神經(jīng)活動(dòng)觀測(cè)[A];2006年全國(guó)強(qiáng)場(chǎng)激光物理會(huì)議論文集[C];2006年

3 徐楠;吳成印;吳志峰;梁青青;楊宏;龔旗煌;;分子的飛秒激光取向操縱[A];2006年全國(guó)強(qiáng)場(chǎng)激光物理會(huì)議論文集[C];2006年

4 蔣紅兵;鐘鳳嬌;龔旗煌;;分子取向?qū)︼w秒激光傳輸?shù)挠绊慬A];第八屆全國(guó)光學(xué)前沿問題討論會(huì)論文集[C];2009年

5 魯欣;張U，

本文編號(hào)：1258100