Nature子刊：組合激光束可在紫外固化樹(shù)脂中制造高精度微通道結(jié)構(gòu)

2025年8月31日，南極熊獲悉青島理工大學(xué)、特拉維夫大學(xué)和開(kāi)羅大學(xué)的研究人員展示了一種利用飛秒激光在紫外光固化樹(shù)脂中制造矩形微通道的新型方法。

新方法以題為“Research on microchannel fabricationin UV curable resin using combined beam processing”的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上，將零階高斯光與一階貝塞爾光束相結(jié)合，與單獨(dú)使用其中任何一種光束相比，能夠產(chǎn)生更光滑的表面和更高的材料去除率。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-17195-8

傳統(tǒng)高斯光束會(huì)產(chǎn)生粗糙的微通道底部，并容易堆積碎屑；而貝塞爾光束則能提供更佳的均勻性，但仍會(huì)留下燒蝕坑。相比之下，組合光束的底部粗糙度 (Ra) 為 0.128 µm，而高斯光束為 0.361 µm，貝塞爾光束為 0.377 µm。材料去除率 (MRR) 也顯著提升。在激光功率為 0.98 W、掃描速度為 0.03 mm/s 的情況下，高斯光束的 MRR 為 882.219 µm³/s，貝塞爾光束的 MRR 為 3490.590 µm³/s，而組合光束的 MRR 為 6786.362 µm³/s。

表面形貌證實(shí)了這些差異。激光掃描共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡顯示，組合光束加工下的橫截面呈矩形，側(cè)壁均勻，無(wú)熔化殘留物或燒蝕坑。原子力顯微鏡證實(shí)了所有測(cè)試條件下的最低粗糙度值。

△高斯光束示意圖。圖片來(lái)自《自然通訊》。

新型方法使用空間光調(diào)制器 (SLM) 來(lái)控制全息相位和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。閃耀光柵將高斯零級(jí)光分離，并將其置于一階貝塞爾光束的正前方。這種空間對(duì)準(zhǔn)使兩束光能夠按順序作用：高斯光快速突破材料閾值并定義出清晰的輪廓，而貝塞爾光束的長(zhǎng)焦深和均勻的環(huán)狀結(jié)構(gòu)則改變了內(nèi)表面，消除了 V 形側(cè)壁并使微通道底部變得平滑。

這種協(xié)同效應(yīng)減少了熱效應(yīng)和熱影響區(qū)。通過(guò)在整個(gè)加工區(qū)域更均勻地分配能量，組合光束可防止熔體飛濺，并通過(guò)受控的材料回流填充燒蝕凹坑。

研究還評(píng)估了全息參數(shù)如何影響通道尺寸。將全息圖的相位半徑值（s）增加四個(gè)像素，通道寬度增加 3.2 µm；而將拓?fù)潆姾桑╪）增加四個(gè)單位，通道深度減少 0.7 µm。這些結(jié)果表明，通道寬度和深度可以通過(guò)光學(xué)調(diào)制獨(dú)立調(diào)節(jié)。

△（a）貝塞爾光束全息圖計(jì)算原理；（b）渦旋相位與閃耀光柵相位疊加的全息圖。圖片來(lái)自《自然通訊》。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，具有不同相位值的全息圖產(chǎn)生了寬度分別為 23.510 µm、20.318 µm 和 17.113 µm 的微通道，深度均為 10.360 µm 左右。將拓?fù)潆姾烧{(diào)整為 1、5 和 9 階，可產(chǎn)生深度分別為11.062 µm、10.358 µm 和 9.663 µm 的通道，而寬度保持在 23.637 µm 左右。這些關(guān)系證實(shí)了空間光調(diào)制器能夠靈活控制光束幾何形狀，從而能夠在不改變激光硬件的情況下制造可調(diào)微通道。

為了評(píng)估工藝穩(wěn)定性，我們還改變了光柵周期和掃描速度。當(dāng)光柵周期設(shè)為20時(shí)，零級(jí)光束和貝塞爾光束之間的重疊產(chǎn)生了最均勻的形貌，沒(méi)有燒蝕凹坑。當(dāng)周期小于15時(shí)，光斑間距過(guò)大，導(dǎo)致燒蝕不規(guī)則。當(dāng)周期為25時(shí)，光束重疊過(guò)度，導(dǎo)致能量集中在微通道中心，并產(chǎn)生熔體流動(dòng)模式。

掃描速度對(duì)表面質(zhì)量有顯著影響。掃描速度為0.05毫米/秒時(shí)，微通道深度為11.259微米，寬度為10.731微米，Ra為0.308微米，表面最光滑。掃描速度高于0.07毫米/秒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生凹坑和熔化不完全；掃描速度低于0.03毫米/秒時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量過(guò)度積累，底部形貌呈蜂窩狀。

△具有不同相位值的全息圖。圖片來(lái)自《自然通訊》。

紫外光固化樹(shù)脂因其低成本、耐化學(xué)性和光學(xué)透明性而被廣泛應(yīng)用于微流體領(lǐng)域。用這些材料制作微通道通常需要多個(gè)步驟或后處理才能獲得光滑的表面。本研究中展示的組合光束方法只需一次掃描即可生成矩形微通道，無(wú)需化學(xué)蝕刻或拋光。

與先前報(bào)道的方法（例如帶掩模的 CO₂ 激光加工或飛秒激光加工后進(jìn)行化學(xué)蝕刻）相比，全息組合光束具有更高的效率和靈活性。通過(guò)將粗糙度降低至 128 納米，并將 MRR 與高斯光束相比提高近八倍，它解決了激光微通道制造中的兩大挑戰(zhàn)：產(chǎn)量和表面質(zhì)量。

潛在的應(yīng)用包括芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、芯片器官平臺(tái)和生物醫(yī)學(xué)分析設(shè)備，在這些應(yīng)用中，精確且可重復(fù)的微通道幾何形狀至關(guān)重要。通過(guò)調(diào)整全息圖參數(shù)來(lái)控制尺寸的能力也加速了原型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備設(shè)計(jì)的快速迭代。

△不同拓?fù)潆姾傻娜D產(chǎn)生的組合光束處理微通道的激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）圖像。圖片來(lái)自《自然通訊》。