Nature子刊：組合激光束可在紫外固化樹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、特拉維夫大學和開羅大學的研究人員展示了一種利用飛秒激光在紫外光固化樹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，無熔化殘留物或燒蝕坑。原子力顯微鏡證實了所有測試條件下的最低粗糙度值。

△高斯光束示意圖。圖片來自《自然通訊》。

新型方法使用空間光調(diào)制器 (SLM) 來控制全息相位和拓撲結(jié)構(gòu)。閃耀光柵將高斯零級光分離，并將其置于一階貝塞爾光束的正前方。這種空間對準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)同效應減少了熱效應和熱影響區(qū)。通過在整個加工區(qū)域更均勻地分配能量，組合光束可防止熔體飛濺，并通過受控的材料回流填充燒蝕凹坑。

研究還評估了全息參數(shù)如何影響通道尺寸。將全息圖的相位半徑值（s）增加四個像素，通道寬度增加 3.2 µm；而將拓撲電荷（n）增加四個單位，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光學調(diào)制獨立調(diào)節(jié)。

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

在一項實驗中，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。將拓撲電荷調(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。

為了評估工藝穩(wěn)定性，我們還改變了光柵周期和掃描速度。當光柵周期設(shè)為20時，零級光束和貝塞爾光束之間的重疊產(chǎn)生了最均勻的形貌，沒有燒蝕凹坑。當周期小于15時，光斑間距過大，導致燒蝕不規(guī)則。當周期為25時，光束重疊過度，導致能量集中在微通道中心，并產(chǎn)生熔體流動模式。

掃描速度對表面質(zhì)量有顯著影響。掃描速度為0.05毫米/秒時，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，會產(chǎn)生凹坑和熔化不完全；掃描速度低于0.03毫米/秒時，會導致能量過度積累，底部形貌呈蜂窩狀。

△具有不同相位值的全息圖。圖片來自《自然通訊》。

紫外光固化樹脂因其低成本、耐化學性和光學透明性而被廣泛應用于微流體領(lǐng)域。用這些材料制作微通道通常需要多個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，無需化學蝕刻或拋光。

與先前報道的方法（例如帶掩模的 CO₂ 激光加工或飛秒激光加工后進行化學蝕刻）相比，全息組合光束具有更高的效率和靈活性。通過將粗糙度降低至 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。

潛在的應用包括芯片實驗室系統(tǒng)、芯片器官平臺和生物醫(yī)學分析設(shè)備，在這些應用中，精確且可重復的微通道幾何形狀至關(guān)重要。通過調(diào)整全息圖參數(shù)來控制尺寸的能力也加速了原型設(shè)計，從而實現(xiàn)了設(shè)備設(shè)計的快速迭代。

△不同拓撲電荷的全息圖產(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。圖片來自《自然通訊》。