[发明专利]在透明材料中制备三维流体通道的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种在透明材料中制备三维流体通道的方法。

背景技术

芯片实验室（Lab on a Chip）是一种集成了微光、微电、微机械、微流体等的芯片，具有低消耗、高效率和高灵敏度等优点，目前已经在科研领域因其广泛兴趣。用于制造微纳器件的传统的半导体光刻方法是一种二维加工方法，工艺比较复杂，不适于三维加工。

飞秒激光因其具有的高强度、高非线性、低热损伤等特点，特别适于对透明材料的三维微加工。目前流行的利用飞秒激光制备微流体通道的方法是激光辐照和化学腐蚀。近期的研究表明在不同线偏振的飞秒激光照射后，辐照区域会形成自组织的纳米结构，其方向与光束电场方向垂直（C. Hnatovsky, R. S. Taylor, E. Simova, V. R. Bhardwaj, D. M. Rayner, and P. B. Corkum, Opt. Lett. 30, 1867-1869 (2005)）。尽管当这种微结构的方向与化学腐蚀的方向一致时，腐蚀速率最快，但当写入二维或三维的复杂的结构时，单一偏振方向的光会造成腐蚀的不均匀，并严重影响整体腐蚀速率。尽管可以在写入不同方向的结构的时候可以同时改变偏振方向，但这种方法过于复杂，不易实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述由线偏振光照射后不同方向腐蚀速率不同、总体速率低的问题，提供一种在透明材料中制备三维流体通道的方法，从而实现不同方向上腐蚀速率相同、总体上腐蚀速率较快的效果。

本发明的具体技术方案如下：

一种在透明材料中制备三维流体通道的方法

（1）将线偏振的飞秒激光变为圆偏振：利用偏振片和四分之一玻片的组合将线偏振的飞秒激光变成圆偏振光；

（2）圆偏振的飞秒激光辐照：用透镜或者显微物镜将光束聚焦于透明材料样品内部。此样品置于由电脑控制的可编程的三维移动平台上，通过程序在内部写入三维结构；

（3）化学腐蚀：将辐照之后的样品放入的氢氟酸中进行腐蚀，步骤（2）中被激光辐照的区域将会比未被辐照的区域更加容易被腐蚀，从而沿着步骤（2）中写入的三维微结构形成微流体通道，腐蚀时间的长短取决于步骤（2）中写入的结构尺寸。

所述的透明材料为玻璃、晶体或透明聚合物。

本发明的关键是第（1）步。经过圆偏振的飞秒激光辐照后，材料内部的光照区域将形成无特定方向的纳米结构。在将样品放入氢氟酸等进行化学腐蚀之后，这种无特定方向的结构使得氢氟酸沿各个方向的腐蚀速率相同，从而可以得到腐蚀均匀的流体通道。并且对于用单一线偏振光写入的复杂结构，由于写入方向与电场方向相同时，纳米结构垂直于腐蚀方向，从而腐蚀速率显著降低。利用圆偏振的激光，腐蚀速率中等并且沿各个方向相同，可以在腐蚀复杂结构（例如波浪状结构）时获得较快的腐蚀速度。

附图说明

图1是本发明利用圆偏振的飞秒激光制备均匀三维流体通道的装置图。

图2为制备流体通道的流程图。

图3为利用圆偏振的飞秒激光制备的流体通道（b）和用单一线偏振光制备的流体通道（a）的对比。

图4为利用圆偏振的飞秒激光写入的波浪形结构（b）和用单一线偏振光写入的波浪形结构（a）的对比。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1。图1是本发明利用圆偏振的飞秒激光制备均匀三维流体通道的装置图。飞秒激光输出的光束1为中心波长800 nm，脉冲宽度40 fs，重复频率为250kHz。在经过偏振片2之后的光束为线偏振光。调节四分之一玻片3的光轴方向使其与入射线偏振光的偏振方向成45°，从而将此线偏振光转变为圆偏振光。利用中性衰减片4控制光束的能量在1-2 μJ。在经过反射镜5之后，光束有NA为0.8的显微物镜聚6焦于样品7中。此样品置于由计算机控制的三维移动平台8上。通过编程，可在样品中写入微结构。由于利用的是圆偏振的光进行的写入，在光照区域形成无特定方向的纳米结构。

图2为制备流体通道的流程图。将在激光辐照之后的样品置于2.5%的氢氟酸中进行化学腐蚀，经过8小时的腐蚀之后，光照区域被腐蚀掉，从而形成流体通道。由于光照区域是无特定方向的纳米结构，氢氟酸沿各个方向的腐蚀速率相同，从而形成各向均匀的腐蚀效果。