镍基微结构的飞秒激光烧蚀机理与工艺研究

【摘要】鉴于对微流控芯片需求的不断增加和要求的不断提高，对用于微流控芯片制备的金属模具也提出了更高的要求。镍因其良好的耐腐蚀性而被广泛应用于微流控芯片的加工，对于金属微纳结构的制备，飞秒激光以其超短的脉冲宽度和极高的能量密度与其他加工方式相比具有他们所没有的极高加工能量，逐渐成为金属微纳尺寸加工的有效和重要手段。本文在研究飞秒激光与金属相互作用过程的基础上，利用简化双温方程进行模拟计算，发现激光能量密度对飞秒激光与金属镍作用过程中的耦合时间、平衡温度和烧蚀孔直径的变化规律基本一致，都是随着能量密度的增加趋于一个稳定值。按照液相爆炸理论，计算得到了镍单脉冲烧蚀阈值的理论值，并在此基础上研究了飞秒激光能量密度对烧蚀孔周围热影响区的影响，发现随激光能量密度的增加，烧蚀孔周围的热影响区逐渐减小，而这主要是熔化再凝固区（MRZ）减小造成的，热激活区（TAZ）保持在纳米级别，随能量密度的变化基本保持不变。在模拟计算的基础上，利用飞秒激光在镍板表面进行了烧蚀孔的加工实验，通过对比说明了与镍薄膜相比，镍板更适合于微结构的加工，同时发现对镍板进行抛光并使用更高倍数的长焦物镜能够提高加工精度。在此基础上进行加工实验并分析实验结果发现，随着激光功率的增加，烧蚀孔直径基本呈线性增加，而随着脉冲次数的增加，烧蚀孔直径先是迅速增加之后逐渐趋于一个稳定值；而随着激光功率的增加，利用越来越少的脉冲次数即可得到最大的烧蚀深度，若继续增加激光功率和脉冲次数反而不利于得到较深的烧蚀孔。同时，通过对比镍单脉冲烧蚀阈值和烧蚀孔的理论值与实验值，验证了理论计算过程和计算结果的有效性。在飞秒激光烧蚀孔实验研究的基础上，在镍板表面进行了烧蚀线的加工实验，分析实验结果发现，较小的烧蚀孔间隔距离利于得到连贯性较好的烧蚀线，且烧蚀线线宽随激光功率的变化规律较理想，但这并不利于得到均匀性和形貌特征较理想的烧蚀线结构；而增加烧蚀孔间隔距离造成的烧蚀线连贯性较差的问题，可以通过增加激光功率而得以弥补。虽然较多的脉冲数利于得到线宽稳定的烧蚀线，但较大的激光功率和较多的脉冲次数都不利于得到形貌特征理想的烧蚀线。所以，利用飞秒激光在镍板表面进行线烧蚀加工时，需要根据具体的实验要求，选取合理的实验参数，以得到最优的实验结果。总之，本文在模拟计算的基础上，研究了激光功率、脉冲次数和烧蚀孔间隔距离对最终得到的微结构尺寸和形貌的影响，为以后利用飞秒激光在镍板表面加工更为复杂的微结构提供了切实可靠的实验参考数据。
【作者】李顺光；
【导师】张雷；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】微流控芯片；飞秒激光；双温方程；烧蚀孔；烧蚀线；

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