[发明专利]一种飞秒激光加工图案化光致形变交联液晶高分子构件的装置及方法

说明书

本发明公开了一种飞秒激光加工图案化光致形变交联液晶高分子构件的装置及方法，包括：飞秒激光器以及对待加工交联液晶高分子薄膜实现水平固定的夹持装置以及实现激光图案化路径扫描的三维定位机构；还包括沿光路方向依次设置在飞秒激光器与待加工交联液晶高分子薄膜之间的快门元件、光束调节元件、功率调节元件、分束元件、扩束元件、光路导向调节系统、衍射光学元件和聚焦元件。本发明方法具有非侵入性、加工灵活性高等特点，制备的光致形变交联液晶高分子构件均匀性好、精度高、热影响区小，在微纳机器人驱动、微执行器及微流道阀门控制等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工图案化光致形变交联液晶高分子构件的装置及方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

在全新的智能材料时代，开发出可以对外部刺激产生机械形变的人工致动材料是近年来的研究热点。基于这类材料在外部刺激下产生的机械形变，可以将其应用到仿生器件、微纳机器人、人工肌肉、微量流体操控等领域。作为一种智能刺激响应材料，液晶高分子兼具高分子质量轻、比强度高、耐疲劳等特点，其液晶的有序结构还赋予了材料分子间的协同作用及各向异性，极大的提高了材料响应速度和应变。液晶高分子可以通过彼此交联形成液晶高分子网络，称之为交联液晶高分子(Cross-linked Liquid crystallinepolyers,CLCP)。交联液晶高分子结合了液晶的各向异性和高分子网络的橡胶弹性，具有优异的分子协同作用。在外界刺激(光、热、电、磁等)下，交联液晶高分子通过改变液晶基元的有序排列能够产生快速可逆的形状变化。与热、电、磁等外部刺激相比，光刺激可实现远程精确操控、无污染、来源广，还可通过波长、光照强度、偏振方向等调控交联液晶高分子的响应速度和方向，因此光致形变响应已成为交联液晶高分子的研究重点。

目前光致形变交联液晶高分子的响应机理一般可分为两类：光化学效应或光热效应。光化学效应诱导的交联液晶高分子形变一般通过在液晶聚合物中掺入光敏基团实现，偶氮苯是最常用的光敏基团，其在紫外光和蓝光照射下产生的顺反异构化可以引起液晶基元排列的变化，从而触发交联液晶高分子产生宏观形变。光热效应诱导的交联液晶高分子形变主要基于光热产生的材料热相变。对于这两种响应机理的交联液晶高分子一般都需要在液晶盒内对其成型，而传统的液晶盒尺寸一般在厘米以上，这给微小尺寸交联液晶高分子构件的批量、可控制备带来了难题。

目前的光致形变液晶高分子材料绝大多数都是交联液晶高分子，由于化学交联网络的存在导致材料不溶不熔，无法与传统高分子加工方法兼容，严重地制约了其实际应用。另外，由于交联液晶高分子薄膜厚度薄、脆性大，传统的机械切割技术难以满足此要求，而FIB切割、电子束掩膜加工等方法存在效率低、成本高、周期长等问题。飞秒激光加工具有非侵入性、加工灵活性高、超高峰值功率、热影响区小等优点，为图案化的光致形变交联液晶高分子构件的大批量制备提供了良好的解决途径。

发明内容

本发明提供了一种飞秒激光加工图案化光致形变交联液晶高分子构件的装置及方法，通过对二维电动位移台移动路径的程序化控制，利用飞秒激光快速直写出图案化的光致形变交联液晶高分子构件，解决了现有加工技术在制备微小尺寸交联液晶高分子构件方面效率低、成本高、加工形状单一等问题。

一种飞秒激光加工图案化光致形变交联液晶高分子构件的装置，包括：飞秒激光器以及对待加工交联液晶高分子薄膜实现水平固定的夹持装置以及实现激光图案化路径扫描的三维定位机构；还包括沿光路方向依次设置在飞秒激光器与待加工交联液晶高分子薄膜之间的快门元件、光束调节元件、功率调节元件、分束元件、扩束元件、光路导向调节系统、衍射光学元件和聚焦元件；经过所述光路导向调节系统，扩束后的激光进行爬高和落下，最后经过所述衍射光学元件和聚焦元件进行整形和聚焦操作后竖直照射至所述待加工交联液晶高分子薄膜顶面。

本发明中，所述飞秒激光器的出射激光能量通过调节激光器的脉冲重复频率实现初次调整，使其高于待加工样品的烧蚀阈值。

作为优选，所述快门元件选自机械快门或电动快门。作为进一步优选，利用快门元件(机械快门)控制飞秒激光光束的通断。