专利名称：在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法
技术领域：
本发明涉及纳秒激光加工，特别是一种在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法。
背景技术：
与传统的硅芯片集成电路类似，近年来迅速发展并在化学和生物分析领域取得显著关注的芯片上的实验室和微全分析系统能够在一个芯片大小的区域内实现各种功能性微结构的集成，从而完成生物和化学分析中的各种常规与特殊功能，如混合、分离和检测等，实现化学与生物分析过程的微型化、自动化、集成化与便携化。相对于传统生化分析技术，这种芯片系统为我们提供了一种结构微小而功能全面的分析技术平台。
迄今为止，制备微流通道主要依靠光刻技术，但其本质是一项平面加工技术，无法直接加工制备三维微纳结构。此外，传统的硅基光刻技术主要是针对微电子学元件进行集成；而在硅芯片上实现微流体、微光学等功能性元件仍存在严峻的技术挑战。因此，为了追求具有多功能的三维几何微纳器件，发展新的微纳制备技术很有必要。(参见文献H Craighead.，Nature, Vol. 442，P 387,2006)
当前，飞秒激光微加工技术以其加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工等优点尤其适用于各种微结构的制备。利用飞秒激光微加工技术结合后期的热处理和HF酸腐蚀等辅助过程，人们在一种名叫Foturan的光敏玻璃内部加工出内径为十微米量级的三维微通道，并演示了其混合两种溶液的功能(参见文献M. Masuda, K. Sugioka, et al.，Applied Physics A, Vol. 76, P857，2003)；此外也有人直接利用紧聚焦飞秒激光束在浸泡于水中的玻璃芯片内部加工出微腔(参见文献An R，Li Y，et al., Applied Physics A, Vol.83, P 27，2006)，但用这两种方法加工时，通道容易被碎屑堵塞， 其长度往往仅有几百个微米，纵横比受到极大限制。
近期，我们提出了一种基于飞秒激光在多孔玻璃基底中制备任意长度、任意构型的三维微流通道的新方法(参见文献:Liao Y，Ju Y，et al.，Opt. Lett. Vol. 35 =P 3225， 2010)，彻底解决了纵横比的问题。但是飞秒激光器价格昂贵，极大地阻碍了微纳加工技术在高校和工业界的发展及其应用前景。发明内容
本发明要解决的关键问题在于提供一种在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法，该方法用非常廉价的Nd: YAG倍频激光器在多孔玻璃内部进行加工，并得到三维微流通道，不仅可以节省成本，而且Nd:YAG倍频激光器功率非常稳定，可极其广泛地应用于高校和工业界。
本发明的技术解决方案如下
一种在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法，其特点在于该方法包括下列步骤
①先将待加工的多孔玻璃块固定在一个透明的玻璃容器中，再将该玻璃容器固定在一个三维平移台上，然后在所述的玻璃容器中注入罗丹明溶液，将所述的多孔玻璃完全淹没；
②Nd:YAG倍频激光器发出的倍频光依次经小孔光阑、衰减片至分色镜，经该分色镜反射，显微物镜聚焦于所述的多孔玻璃内部，第一电脑中的程序控制驱动装置驱动所述的三维平移台运动，三维平移台的运动又导致所述的多孔玻璃运动，冷光源发出的光通过所述的玻璃容器之底照射所述的多孔玻璃底部，透射光线经所述的显微物镜聚焦，透过所述的分色镜后，由CCD接收，该CCD接收的图像输出至第二电脑并显示，以便实时观察到整个加工过程；
③光路调整好后，启动所述的Nd:YAG倍频激光器、冷光源、第一电脑和第二电脑， 所述的Nd: YAG倍频激光器发出的中心波长为532nm，脉冲宽度为8ns，重复频率为IOHz的倍频光，依次经所述的小孔光阑、衰减片至分色镜，经该分色镜反射，显微物镜聚焦于所述的多孔玻璃内部，渗透到多孔玻璃内部的罗丹明溶液正好吸收波长为532nm的倍频激光的同时产生大量热能，烧蚀多孔玻璃内部，随着第一电脑控制并通过所述的驱动装置驱动所述的三维平移台运动，带动手段多孔玻璃(9)运动，从而加工出三维微流通道；
④将加工完毕之后的多孔玻璃放入炉中进行热处理以1°C /min的速度上升到 1120°C，维持1120°C两小时之后，再降温到常温。
与以往的技术相比较，本发明的优点在于
1、成本低廉相比飞秒激光器，Nd:YAG倍频激光器价格非常低廉，能够广泛地应用于高校和工业界。
2、状态稳定Nd:YAG激光器可以日夜不停歇工作，功率稳定。而飞秒激光器对环境的要求相对比较高。
3、简单灵活在搭建好光路系统后，通过控制平移台的移动便可获得所需形状的三维微流通道，后期处理过程也较简单，仅需退火处理，因而具有较高的加工效率。
4、可扩展性好使用本发明方法不仅可以制作三维微流通道，还可以通过编程控制平移台的移动加工出基于流体的光波分束器、耦合器、微环谐振腔等一系列光子学器件； 利用本发明还可将微流体、微光学、微机械和微电子等多种功能器件集成制备在同一玻璃基底上。
图1是本发明Nd:YAG激光制备三维微流通道的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图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Nd:YAG激光制备三维微流通道的流程示意图。下面本发明在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法的一个实施例，包括下列步骤
1、先将8mm X 8mm X 3mm的多孔玻璃9固定在底面厚度为170微米的玻璃容器8中， 再将所述的玻璃容器8固定在一个三维平移台10之上，然后注入浓度为6. OX 10_3mol/L的罗丹明溶液11于玻璃容器8之中，而且需要完全淹没所述的多孔玻璃(9)；
2、Nd:YAG倍频激光器1发出的中心波长为532nm，脉冲宽度为8ns，重复频率为 IOHz的倍频激光先通过小孔光阑2调节光斑直径至2毫米，再通过衰减片3控制输出能量至100 μ J，激光通过分色镜6反射到50倍的显微物镜7之后聚焦于多孔玻璃9内部，在第一电脑14中设置程序，控制驱动装置13，此装置导致三维平移台10运动，三维平移台10的运动又导致多孔玻璃9运动，冷光源12发出的光照射多孔玻璃底部，光线反向经过50倍的显微物镜7聚焦，通过分色镜6透射之后，由(XD4接收，送至第二电脑5显示，通过第二电脑5可以实时观察到整个加工过程。
3、渗透到多孔玻璃内部的罗丹明溶液11正好吸收波长为532nm的纳秒激光的同时产生大量热能，烧蚀多孔玻璃9内部，从而加工出三维微流通道，其直径大约为15微米。
4、将加工完毕之后的多孔玻璃9放入炉中，以1°C /min的速度上升到1120°C，维持1120°C两小时之后，再降温到常温。
所述的多孔玻璃采用分相法制备，把组分适当的SiO2, H3BO3, Na2CO3均勻混合，按照合适的熔制制度，熔化成玻璃。成型后进行分相热处理，在热处理的过程中富碱硼相与富硅相分离，分别为连续的网状物，形成了分相的硼硅酸盐玻璃。把分相的玻璃浸在热酸中， 易溶于酸溶液中的碱硼成分就被溶出，留下以S^2骨架为主的多孔的三维连通结构。测定得出多孔玻璃的成分为95. 5Si02-4B203-0. 5Na20(wt. % )，平均孔径为IOnm左右，孔隙率为 40%左右，退火温度达到1120°C之后，多孔玻璃中的纳米孔会消失。但由于三维微流通道孔径相对比较大，所以能够保留下来，但是其尺寸会降低到原来的65%左右。
用Nd: YAG激光1在多孔玻璃9内部加工好三维微流通道之后，再进行退火处理， 然后灌入荧光素，在显微镜下观察，以此证明，通道十分畅通，而且不渗透到别处，也说明样品退火之后烧结良好。
权利要求
1. 一种在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法，其特征在于该方法包括下列步骤①先将多孔玻璃(9)块固定在一个透明的玻璃容器(8)中，再将该玻璃容器(8)固定在一个三维平移台(10)之上，然后在所述的玻璃容器(8)中注入罗丹明溶液(11)，将所述的多孔玻璃(9)完全淹没；②Nd:YAG倍频激光器(1)发出的倍频光依次经小孔光阑O)、衰减片(3)至分色镜 (6)，经该分色镜(6)反射，显微物镜(7)聚焦于多孔玻璃(9)内部，第一电脑(14)中设置程序控制驱动装置(1 驱动所述的三维平移台(10)运动，三维平移台(10)的运动又导致多孔玻璃⑶)运动，冷光源(1 发出的光通过所述的玻璃容器( 之底照射所述的多孔玻璃(9)底部，透射光线经所述的显微物镜(7)聚焦，透过所述的分色镜(6)后，由CCD(4)接收，该CCD (4)接收的图像输出至第二电脑(5)，以便实时观察到整个加工过程；③光路调整好后，启动所述的Nd:YAG倍频激光器(1)、冷光源(12)、第一电脑(14)和第二电脑(5)，所述的Nd:YAG倍频激光器(1)发出的中心波长为532nm，脉冲宽度为8ns，重复频率为IOHz的倍频光，依次经小孔光阑O)、衰减片( 至分色镜(6)，经该分色镜(6) 反射，显微物镜(7)聚焦于多孔玻璃(9)内部，渗透到多孔玻璃内部的罗丹明溶液(11)正好吸收波长为532nm的纳秒激光的同时产生大量热能，烧蚀多孔玻璃(9)内部，随着第一电脑(14)控制并通过所述的驱动装置(1 驱动所述的三维平移台(10)作三维运动，带动所述的多孔玻璃(9)三维运动，从而加工出三维微流通道；④将加工完毕之后的多孔玻璃(9)放入炉中进行热处理以1°C/min的速度上升到 1120°C，维持1120°C两小时之后，再降温到常温。
全文摘要
一种在多孔玻璃内部制备三维微流通道的方法，该方法是采用非常廉价的Nd:YAG倍频激光器输出的倍频激光在多孔玻璃内部进行加工，利用电脑控制的三维平台的三维运动带动所述的多孔玻璃三维运动，并得到三维微流通道，本发明方法不仅可以节省成本，而且Nd:YAG激光器功率非常稳定，可广泛地应用于高校和工业界。
文档编号B23K26/00GK102489873SQ20111036390
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者刘昌宁, 廖洋, 徐至展, 程亚 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所