專利名稱：在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法
技術領域：
本發明涉及納秒激光加工，特別是一種在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法。
背景技術：
與傳統的硅芯片集成電路類似，近年來迅速發展并在化學和生物分析領域取得顯著關注的芯片上的實驗室和微全分析系統能夠在一個芯片大小的區域內實現各種功能性微結構的集成，從而完成生物和化學分析中的各種常規與特殊功能，如混合、分離和檢測等，實現化學與生物分析過程的微型化、自動化、集成化與便攜化。相對于傳統生化分析技術，這種芯片系統為我們提供了一種結構微小而功能全面的分析技術平臺。
迄今為止，制備微流通道主要依靠光刻技術，但其本質是一項平面加工技術，無法直接加工制備三維微納結構。此外，傳統的硅基光刻技術主要是針對微電子學元件進行集成；而在硅芯片上實現微流體、微光學等功能性元件仍存在嚴峻的技術挑戰。因此，為了追求具有多功能的三維幾何微納器件，發展新的微納制備技術很有必要。(參見文獻H Craighead.，Nature, Vol. 442，P 387,2006)
當前，飛秒激光微加工技術以其加工精度高、熱效應小、損傷閾值低和可以對透明材料實現三維微加工等優點尤其適用于各種微結構的制備。利用飛秒激光微加工技術結合后期的熱處理和HF酸腐蝕等輔助過程，人們在一種名叫Foturan的光敏玻璃內部加工出內徑為十微米量級的三維微通道，并演示了其混合兩種溶液的功能(參見文獻M. Masuda, K. Sugioka, et al.，Applied Physics A, Vol. 76, P857，2003)；此外也有人直接利用緊聚焦飛秒激光束在浸泡于水中的玻璃芯片內部加工出微腔(參見文獻An R，Li Y，et al., Applied Physics A, Vol.83, P 27，2006)，但用這兩種方法加工時，通道容易被碎屑堵塞， 其長度往往僅有幾百個微米，縱橫比受到極大限制。
近期，我們提出了一種基于飛秒激光在多孔玻璃基底中制備任意長度、任意構型的三維微流通道的新方法(參見文獻:Liao Y，Ju Y，et al.，Opt. Lett. Vol. 35 =P 3225， 2010)，徹底解決了縱橫比的問題。但是飛秒激光器價格昂貴，極大地阻礙了微納加工技術在高校和工業界的發展及其應用前景。發明內容
本發明要解決的關鍵問題在于提供一種在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法，該方法用非常廉價的Nd: YAG倍頻激光器在多孔玻璃內部進行加工，并得到三維微流通道，不僅可以節省成本，而且Nd:YAG倍頻激光器功率非常穩定，可極其廣泛地應用于高校和工業界。
本發明的技術解決方案如下
一種在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法，其特點在于該方法包括下列步驟
①先將待加工的多孔玻璃塊固定在一個透明的玻璃容器中，再將該玻璃容器固定在一個三維平移臺上，然后在所述的玻璃容器中注入羅丹明溶液，將所述的多孔玻璃完全淹沒；
②Nd:YAG倍頻激光器發出的倍頻光依次經小孔光闌、衰減片至分色鏡，經該分色鏡反射，顯微物鏡聚焦于所述的多孔玻璃內部，第一電腦中的程序控制驅動裝置驅動所述的三維平移臺運動，三維平移臺的運動又導致所述的多孔玻璃運動，冷光源發出的光通過所述的玻璃容器之底照射所述的多孔玻璃底部，透射光線經所述的顯微物鏡聚焦，透過所述的分色鏡后，由CCD接收，該CCD接收的圖像輸出至第二電腦并顯示，以便實時觀察到整個加工過程；
③光路調整好后，啟動所述的Nd:YAG倍頻激光器、冷光源、第一電腦和第二電腦， 所述的Nd: YAG倍頻激光器發出的中心波長為532nm，脈沖寬度為8ns，重復頻率為IOHz的倍頻光，依次經所述的小孔光闌、衰減片至分色鏡，經該分色鏡反射，顯微物鏡聚焦于所述的多孔玻璃內部，滲透到多孔玻璃內部的羅丹明溶液正好吸收波長為532nm的倍頻激光的同時產生大量熱能，燒蝕多孔玻璃內部，隨著第一電腦控制并通過所述的驅動裝置驅動所述的三維平移臺運動，帶動手段多孔玻璃(9)運動，從而加工出三維微流通道；
④將加工完畢之后的多孔玻璃放入爐中進行熱處理以1°C /min的速度上升到 1120°C，維持1120°C兩小時之后，再降溫到常溫。
與以往的技術相比較，本發明的優點在于
1、成本低廉相比飛秒激光器，Nd:YAG倍頻激光器價格非常低廉，能夠廣泛地應用于高校和工業界。
2、狀態穩定Nd:YAG激光器可以日夜不停歇工作，功率穩定。而飛秒激光器對環境的要求相對比較高。
3、簡單靈活在搭建好光路系統后，通過控制平移臺的移動便可獲得所需形狀的三維微流通道，后期處理過程也較簡單，僅需退火處理，因而具有較高的加工效率。
4、可擴展性好使用本發明方法不僅可以制作三維微流通道，還可以通過編程控制平移臺的移動加工出基于流體的光波分束器、耦合器、微環諧振腔等一系列光子學器件； 利用本發明還可將微流體、微光學、微機械和微電子等多種功能器件集成制備在同一玻璃基底上。


圖1是本發明Nd:YAG激光制備三維微流通道的流程示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1是Nd:YAG激光制備三維微流通道的流程示意圖。下面本發明在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法的一個實施例，包括下列步驟
1、先將8mm X 8mm X 3mm的多孔玻璃9固定在底面厚度為170微米的玻璃容器8中， 再將所述的玻璃容器8固定在一個三維平移臺10之上，然后注入濃度為6. OX 10_3mol/L的羅丹明溶液11于玻璃容器8之中，而且需要完全淹沒所述的多孔玻璃(9)；
2、Nd:YAG倍頻激光器1發出的中心波長為532nm，脈沖寬度為8ns，重復頻率為 IOHz的倍頻激光先通過小孔光闌2調節光斑直徑至2毫米，再通過衰減片3控制輸出能量至100 μ J，激光通過分色鏡6反射到50倍的顯微物鏡7之后聚焦于多孔玻璃9內部，在第一電腦14中設置程序，控制驅動裝置13，此裝置導致三維平移臺10運動，三維平移臺10的運動又導致多孔玻璃9運動，冷光源12發出的光照射多孔玻璃底部，光線反向經過50倍的顯微物鏡7聚焦，通過分色鏡6透射之后，由(XD4接收，送至第二電腦5顯示，通過第二電腦5可以實時觀察到整個加工過程。
3、滲透到多孔玻璃內部的羅丹明溶液11正好吸收波長為532nm的納秒激光的同時產生大量熱能，燒蝕多孔玻璃9內部，從而加工出三維微流通道，其直徑大約為15微米。
4、將加工完畢之后的多孔玻璃9放入爐中，以1°C /min的速度上升到1120°C，維持1120°C兩小時之后，再降溫到常溫。
所述的多孔玻璃采用分相法制備，把組分適當的SiO2, H3BO3, Na2CO3均勻混合，按照合適的熔制制度，熔化成玻璃。成型后進行分相熱處理，在熱處理的過程中富堿硼相與富硅相分離，分別為連續的網狀物，形成了分相的硼硅酸鹽玻璃。把分相的玻璃浸在熱酸中， 易溶于酸溶液中的堿硼成分就被溶出，留下以S^2骨架為主的多孔的三維連通結構。測定得出多孔玻璃的成分為95. 5Si02-4B203-0. 5Na20(wt. % )，平均孔徑為IOnm左右，孔隙率為 40%左右，退火溫度達到1120°C之后，多孔玻璃中的納米孔會消失。但由于三維微流通道孔徑相對比較大，所以能夠保留下來，但是其尺寸會降低到原來的65%左右。
用Nd: YAG激光1在多孔玻璃9內部加工好三維微流通道之后，再進行退火處理， 然后灌入熒光素，在顯微鏡下觀察，以此證明，通道十分暢通，而且不滲透到別處，也說明樣品退火之后燒結良好。
權利要求
1. 一種在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①先將多孔玻璃(9)塊固定在一個透明的玻璃容器(8)中，再將該玻璃容器(8)固定在一個三維平移臺(10)之上，然后在所述的玻璃容器(8)中注入羅丹明溶液(11)，將所述的多孔玻璃(9)完全淹沒；②Nd:YAG倍頻激光器(1)發出的倍頻光依次經小孔光闌O)、衰減片(3)至分色鏡 (6)，經該分色鏡(6)反射，顯微物鏡(7)聚焦于多孔玻璃(9)內部，第一電腦(14)中設置程序控制驅動裝置(1 驅動所述的三維平移臺(10)運動，三維平移臺(10)的運動又導致多孔玻璃⑶)運動，冷光源(1 發出的光通過所述的玻璃容器( 之底照射所述的多孔玻璃(9)底部，透射光線經所述的顯微物鏡(7)聚焦，透過所述的分色鏡(6)后，由CCD(4)接收，該CCD (4)接收的圖像輸出至第二電腦(5)，以便實時觀察到整個加工過程；③光路調整好后，啟動所述的Nd:YAG倍頻激光器(1)、冷光源(12)、第一電腦(14)和第二電腦(5)，所述的Nd:YAG倍頻激光器(1)發出的中心波長為532nm，脈沖寬度為8ns，重復頻率為IOHz的倍頻光，依次經小孔光闌O)、衰減片( 至分色鏡(6)，經該分色鏡(6) 反射，顯微物鏡(7)聚焦于多孔玻璃(9)內部，滲透到多孔玻璃內部的羅丹明溶液(11)正好吸收波長為532nm的納秒激光的同時產生大量熱能，燒蝕多孔玻璃(9)內部，隨著第一電腦(14)控制并通過所述的驅動裝置(1 驅動所述的三維平移臺(10)作三維運動，帶動所述的多孔玻璃(9)三維運動，從而加工出三維微流通道；④將加工完畢之后的多孔玻璃(9)放入爐中進行熱處理以1°C/min的速度上升到 1120°C，維持1120°C兩小時之后，再降溫到常溫。
全文摘要
一種在多孔玻璃內部制備三維微流通道的方法，該方法是采用非常廉價的Nd:YAG倍頻激光器輸出的倍頻激光在多孔玻璃內部進行加工，利用電腦控制的三維平臺的三維運動帶動所述的多孔玻璃三維運動，并得到三維微流通道，本發明方法不僅可以節省成本，而且Nd:YAG激光器功率非常穩定，可廣泛地應用于高校和工業界。
文檔編號B23K26/00GK102489873SQ20111036390
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者劉昌寧, 廖洋, 徐至展, 程亞 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所