超快激光制备玻璃微流控芯片的工艺研究

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玻璃是一种透明、硬脆性材料,被广泛应用于微光学元件与微流控芯片中,利用传统的机械或化学加工工艺对其进行表面加工以及表面焊接加工时,容易出现裂纹发生破损,用此种方法进行加工时不能保证质量、成品率底下且加工效率不高,现如今已无法满足日益增长的生产和应用需求。超快激光即超短脉冲激光加工技术可以利用光子与材料之间的互相作用,通过聚焦后的高能量激光光束来对材料进行去除与改性加工,此方法在加工时的热影响较小且效率很高,由于是非接触式加工,所以不存在刀具的磨损,也不会污染材料,在玻璃加工方面优势明显。本文提出采用超快激光对玻璃进行表面微沟槽加工以及两玻璃间的焊接加工,主要研究内容如下:利用飞秒绿光与飞秒红外激光对玻璃进行基础加工实验,研究并分析了激光加工玻璃时各工艺参数对微沟线槽尺寸及质量的影响。发现累积能量对玻璃微沟线槽表面质量起重要影响,用飞秒绿光进行加工时,单位面积累积能量在130μJ-140μJ范围时,微沟线槽质量较好;用飞秒红外进行加工时,单位面积累积能量在80μJ时便能满足要求。并且发现在相同累积能量下高频高速比低频低速加工的更好,微沟线槽直线度、一致性更好,且侧壁光滑整洁、质量更高。在利用飞秒激光加工玻璃微沟线槽的工艺研究基础上,研究加工不同深宽比微沟槽的工艺实验,研究和分析了横向加工时线间距与路径选择以及纵向加工时的进给量与微沟槽加工尺寸和表面质量之间的关系。通过对比发现,横向加工时而最优的线间距应为5μm,最优的加工顺序应为先加工微沟槽两边,中间部分再从左往右依次加工;纵向加工时应设置每次的进给量为12μm,能获得最大深宽比为1.5-1.6范围左右的微沟槽。且可以通过向上离焦的方法有效去除再铸层以获得不同深度大小的微沟槽。利用红外皮秒脉冲激光进行两块玻璃间的微焊接加工实验,分析了不同激光工艺参数对玻璃焊接质量的影响,通过分析焊缝强度及截面发现,发现只有能量适中才能形成质量良好且强度高的焊缝,且发现激光焦点位置对玻璃的焊接也有重要影响,合适的焦点位置能使玻璃在非光学接触情况下实现有效的焊接。
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