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为了分析加工石英玻璃的最佳功率参量,采用控制变量法,使刻蚀速率保持在0.010mm/s, 且在20倍的显微物镜的聚焦下进行加工,加工的过程中通过调节衰减器来改变实验激光功率。考虑到光束强度呈高斯分布,激光功率有波动,加工直径与激光功率满足以下关系:
$ D = w\left( z \right)\sqrt {2\ln \left[ {{w_0}^2P/w{{\left( z \right)}^2}{P_{{\text{th}}}}} \right]} $
(1) 式中,D是微通道直径,w(z)是z处光束半径,z是束腰偏离加工面的值,w0是束腰半径,P是激光功率,Pth是功率阈值[12]。将实验数据拟合可得到图 2,图中v表示刻蚀速率。从图 2的激光功率与孔径的关系图形可以看出,微通道的孔径随着激光功率的增加而增加。这是因为当激光功率增加时,激光能量密度也会随之增加,石英玻璃能吸收的能量就会增加,故刻蚀孔径逐渐变大。需要指出的是,当刻蚀功率小于10mW时,便无法完成微孔的刻蚀。
图 3为不同功率下石英玻璃微通道的侧面图。对比这3张图片发现,微通道侧面平整度最好的是激光功率为10mW,通道直径约为9.8μm,但孔深很不理想,无法有效增大长径比;激光功率为20mW时,加工出来的微通道上下直径大小并不均匀;激光功率为50mW时,通道直径能保持基本均匀,且能加工出最大孔深为1466μm和最大长径比为32的微通道。继续加大功率,刻蚀孔径也会随之增大, 但刻蚀质量明显下降。当刻蚀功率超过75mW时,得到的通道侧面不规则,孔的顶部出现显著裂纹和崩边现象。综合考虑刻蚀质量的情况下,选择50mW作为刻蚀功率为宜。
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实验中对于刻蚀速率的控制主要依靠3维移动平台,所以移动平台的移动速率即为刻蚀速率。在整个实验中,刻蚀速率对孔径大小、微通道侧面平整度和孔深的影响是很大的。
实验中使激光功率为50mW,用20倍的显微物镜聚焦,以不同的速率刻蚀石英玻璃片,得到图 4所示的石英玻璃底部形貌。从这4张图片可以看出,随着刻蚀速率的增大,底面孔径呈现减小趋势。这是因为在激光功率和重复频率不变的情况下,增大刻蚀速率,单位体积石英玻璃吸收激光能量较小,故刻蚀孔径呈现下降趋势[13]。另外,微通道截面的圆度也有所提高。
刻蚀速率对微通道侧面平整度和孔深的影响也是很大的。然而用超景深显微镜观测无法直接得知孔的深度,为了宏观表达孔的深度,使用混合有色颜料的酒精溶液滴入孔的表面,再经震荡和静置,便可以用超景深显微镜观测有色溶液进入孔内的过程,如图 5所示。图 5是激光功率为75mW、用20倍的显微物镜聚焦、以不同的刻蚀速率加工得到的微通道。有色溶液注入后石英玻璃后,慢慢进入微通道,有色液柱越高,说明微通道越长。也可以向孔的表面滴入水冷系统冷却液, 只要冷却液流过的地方(即使存在气隙的情况下)在紫外光的照射下都会发出蓝光。图 1c所示为将水冷系统冷却液滴入打通的通道内(通道长度约为1mm),在紫外光的照射下的侧面图。
从图中可以清晰看到,随着刻蚀速率的增加,孔深先增加后减小,在速率为0.010mm/s时, 深度达到最大,当刻蚀速率继续增加,深度会出现下降。原因是扫描速率影响了加工点之间的重叠程度,从而使得不同扫描速率下加工分辨率有较大差别。扫描速率分别为0.001mm/s, 0.005mm/s, 0.010mm/s和0.100mm/s时,对应加工点间距为1nm, 5nm, 10nm和100nm。在光斑和重复频率不变的情况下,刻蚀速率越高,加工点的间距越大,单位体积石英玻璃能吸收的能量就越小,导致刻蚀率下降。由图像分析可知,微通道侧面附近区域并未出现裂纹和损伤现象,整体较为光滑和平整。但微孔的深度有限,并不会随着刻蚀速率的增加而增加,当有色溶液到达一定深度后停止,可知微通道的上部分只是被改性留下刻痕。
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实验过程中需要通过显微物镜将激光会聚于一点进行加工。而显微物镜放大倍数的不同会直接影响着光斑的能量分布和光斑的大小, 从而直接影响到微通道孔径大小和微孔的深度。实验中分别采用4×, 20×和50×的显微物镜进行聚焦,采用50mW的飞秒激光、0.010mm/s的刻蚀速率进行刻蚀,得到了如图 6所示的放大倍数与孔径大小及光斑大小的关系图。
由图 6可知,随着显微物镜放大倍数的增大,微通道的直径是下降的。这是因为显微物镜的放大倍数越大,聚焦能力就越强,光斑就会越小。光斑的大小会直接影响到微通道的直径,石英玻璃能在更小的空间内吸收更高的激光能量,得到直径更小的微通道。
显微物镜的放大倍数不但影响着微通道的直径,而且对石英玻璃微通道深度的影响也是很大的。图 7是显微镜物镜放大倍数与微通道深度的关系图。由图 7可知,微孔深度先随放大倍数的增加而增加,然后再随放大倍数的增加而减小,当放大倍数为20时,最大的刻蚀深度为1466μm。造成这种现象的主要原因是,当放大倍数为4时,放大的倍数过小,聚焦能力弱,单位体积石英玻璃能吸收的能量太小,光斑的直径就会过大,石英玻璃能吸收的能量太小,以至于阻碍了刻蚀深度的增大;当放大倍数为50时,放大的倍数又过高,聚焦能力太强,由于激光刻蚀作用区域减小,刻蚀孔径就会减小,刻蚀过程中产生的碎屑未能及时排出,阻碍了刻蚀深度的提高。综合以上可以得出,选放大倍数为20的显微物镜可以得到质量更好的微通道。
飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的研究
Research on microchannel of silica glass fabricated by laser-induced backside wet etching
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摘要: 为了获得飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的最佳参量,通过分别改变飞秒激光的功率、刻蚀速率和显微物镜的放大倍数进行了实验。采用超景深显微镜对加工样品进行观察和测量,并分析了微通道的形貌。结果表明,在飞秒激光功率为50mW、刻蚀速率为0.010mm/s、20×显微物镜聚焦的实验条件下,可以制备出深度为1466μm、深宽比为32的石英玻璃微通道。此研究对3维结构维纳制造技术有一定的应用价值。Abstract: In order to achieve the optimum parameters of laser-induced backside wet etching for the fabrication of microchannel of silica glass, experiments were made by changing the laser power, etching velocity and magnification times of microscope objective. The processing samples were observed and measured by digital microscope. And then, the topography of microchannels was analyzed. The results show that, under the experimental conditions of laser power of 50mW, etching velocity of 0.010mm/s and 20× microscope objective lens, microchannels of silica glass were fabricated with the depth of 1466μm and the ratio of depth to width of 32. This research has certain application value for micronano fabrication technology of 3-D structure.
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Key words:
- ultrafast optics /
- microchannel /
- laser-induced backside wet etching /
- silica glass
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[1] CHAI H L, YAN X L, WANG S M, et al. Advances in femtosecond laser fabrication of microchannels[J].Transactions of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(10):991-1003(in Chinese). [2] DENG Z F, YANG Q, CHEN F, et al. Fabrication of large-area concave microlens array on silicon by femtosecond laser micromachining[J].Optics Letters, 2015, 40(6):1928-1931. [3] PECHOLT B, GUPTA S, MOLIAN P. Review of laser microscale processing of silicon carbide[J]. Journal of Laser Applications, 2011, 23(1):012008. doi: 10.2351/1.3562522 [4] PSALTIS D, QUAKE S R, YANG C H. Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics[J]. Nature, 2006, 442(7101):381-386. doi: 10.1038/nature05060 [5] LIAO Y, JU Y F, ZHANG L, et al. Three-dimensional microfluidic channel with arbitrary length and configuration fabricated inside glass by femtosecond laser direct writing[J]. Optics Letters, 2010, 35(19):3225-3227. doi: 10.1364/OL.35.003225 [6] JIANG L, LIU P J, YAN X L, et al.High-throughput rear-surface drilling of microchannels in glass based on electron dynamics control using femtosecond pulse trains[J]. Optics Letters, 2012, 37(14):2781-2783. doi: 10.1364/OL.37.002781 [7] WANG J, NIINO H, YABE A. One-step microfabrication of fused silica by laser ablation of an organic solution[J]. Applied Physics, 1998, A68(1):111-113. [8] BÖHME R, BRAUN A, ZIMMER K. Backside etching of UV-transparent materials at the interface to liquids[J]. Applied Surface Science, 2002, 186(1):276-281. [9] VASS C, SEBÖK D, HOPP B. Comparing study of subpicosecond and nanosecond wet etching of fused silica[J]. Applied Surface Science, 2006, 252(13):4768-4772. doi: 10.1016/j.apsusc.2005.07.118 [10] KAWAGUCHI Y, NIINO H, SATO T, et al. A deep micro-trench on silica glass fabricated by laserinduced backside wet etching (LIBWE)[J].Journal of Physics Conference Series, 2007, 59(59):380-383. [11] CHEN F, YANG Q, BIAN H, et al. Micro-nano fabrication of femtosecond laser wet etch[J].Journal of Applied Optics, 2014, 35(1):150-154(in Chinese). [12] YUN Zh Q, WEI R Sh, LI W, et al. Sub-diffraction-limit fabrication of 6H-SiC with femtosecond laser[J].Acta Physica Sinica, 2013, 62(6):068101(in Chinese). [13] YAO L Y. Mechanism and morphology of silica glass by femtosecond laser ablation[D].Dalian: Dalian University of Technology, 2014: 38-41(in Chinese).