Nature子刊：组合激光束可在紫外固化树脂中制造高精度微通道结构

zhiyongz 6分钟前阅读数 #技术

2025年8月31日，青岛理工大学、特拉维夫大学和开罗大学的研究人员展示了一种利用飞秒激光在紫外光固化树脂中制造矩形微通道的新型方法。新方法以题为“Research on microchannel fabricationin UV curable resin using combined beam processing”的论文发表在《自然通讯》杂志上，将零阶高斯光与一阶贝塞尔光束相结合，与单独使用其中任何一种光束相比，能够产生更光滑的表面和更高的材料去除率。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-17195-8

传统高斯光束会产生粗糙的微通道底部，并容易堆积碎屑；而贝塞尔光束则能提供更佳的均匀性，但仍会留下烧蚀坑。相比之下，组合光束的底部粗糙度 (Ra) 为 0.128 µm，而高斯光束为 0.361 µm，贝塞尔光束为 0.377 µm。材料去除率 (MRR) 也显著提升。在激光功率为 0.98 W、扫描速度为 0.03 mm/s 的情况下，高斯光束的 MRR 为 882.219 µm³/s，贝塞尔光束的 MRR 为 3490.590 µm³/s，而组合光束的 MRR 为 6786.362 µm³/s。

表面形貌证实了这些差异。激光扫描共聚焦显微镜和扫描电子显微镜显示，组合光束加工下的横截面呈矩形，侧壁均匀，无熔化残留物或烧蚀坑。原子力显微镜证实了所有测试条件下的最低粗糙度值。

△高斯光束示意图。图片来自《自然通讯》。

新型方法使用空间光调制器 (SLM) 来控制全息相位和拓扑结构。闪耀光栅将高斯零级光分离，并将其置于一阶贝塞尔光束的正前方。这种空间对准使两束光能够按顺序作用：高斯光快速突破材料阈值并定义出清晰的轮廓，而贝塞尔光束的长焦深和均匀的环状结构则改变了内表面，消除了 V 形侧壁并使微通道底部变得平滑。这种协同效应减少了热效应和热影响区。通过在整个加工区域更均匀地分配能量，组合光束可防止熔体飞溅，并通过受控的材料回流填充烧蚀凹坑。研究还评估了全息参数如何影响通道尺寸。将全息图的相位半径值（s）增加四个像素，通道宽度增加 3.2 µm；而将拓扑电荷（n）增加四个单位，通道深度减少 0.7 µm。这些结果表明，通道宽度和深度可以通过光学调制独立调节。

△（a）贝塞尔光束全息图计算原理；（b）涡旋相位与闪耀光栅相位叠加的全息图。图片来自《自然通讯》。

在一项实验中，具有不同相位值的全息图产生了宽度分别为 23.510 µm、20.318 µm 和 17.113 µm 的微通道，深度均为 10.360 µm 左右。将拓扑电荷调整为 1、5 和 9 阶，可产生深度分别为11.062 µm、10.358 µm 和 9.663 µm 的通道，而宽度保持在 23.637 µm 左右。这些关系证实了空间光调制器能够灵活控制光束几何形状，从而能够在不改变激光硬件的情况下制造可调微通道。

为了评估工艺稳定性，我们还改变了光栅周期和扫描速度。当光栅周期设为20时，零级光束和贝塞尔光束之间的重叠产生了最均匀的形貌，没有烧蚀凹坑。当周期小于15时，光斑间距过大，导致烧蚀不规则。当周期为25时，光束重叠过度，导致能量集中在微通道中心，并产生熔体流动模式。

扫描速度对表面质量有显著影响。扫描速度为0.05毫米/秒时，微通道深度为11.259微米，宽度为10.731微米，Ra为0.308微米，表面最光滑。扫描速度高于0.07毫米/秒时，会产生凹坑和熔化不完全；扫描速度低于0.03毫米/秒时，会导致能量过度积累，底部形貌呈蜂窝状。

△具有不同相位值的全息图。图片来自《自然通讯》。

紫外光固化树脂因其低成本、耐化学性和光学透明性而被广泛应用于微流体领域。用这些材料制作微通道通常需要多个步骤或后处理才能获得光滑的表面。本研究中展示的组合光束方法只需一次扫描即可生成矩形微通道，无需化学蚀刻或抛光。与先前报道的方法（例如带掩模的 CO₂ 激光加工或飞秒激光加工后进行化学蚀刻）相比，全息组合光束具有更高的效率和灵活性。通过将粗糙度降低至 128 纳米，并将 MRR 与高斯光束相比提高近八倍，它解决了激光微通道制造中的两大挑战：产量和表面质量。

潜在的应用包括芯片实验室系统、芯片器官平台和生物医学分析设备，在这些应用中，精确且可重复的微通道几何形状至关重要。通过调整全息图参数来控制尺寸的能力也加速了原型设计，从而实现了设备设计的快速迭代。