利用近红外皮秒激光对黑色聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微通道进行烧蚀的研究

《Optics & Laser Technology》：Investigation of microchannel ablation on black PMMA by near infrared picosecond laser

通过近红外脉冲激光（NIR ps激光）在黑色PMMA上加工微通道，优化激光参数（功率、扫描速度、重复频率等）和采用多焦点扫描方法，实现了高纵横比（最大8.4）U型截面微通道的制造。实验表明，黑色PMMA的激光吸收率显著提升，加工阈值降低，表面热影响区（HAZ）更小。对比CO?激光和飞秒激光，NIR ps激光在通道宽度（更小）、加工效率和混合性能方面具有优势，流体混合效率提升效果显著。

　　### 中文解读

本研究聚焦于通过激光加工技术制造高质量的微流道，以提升微混合器的混合效率。传统微流体设备制造中，硅和玻璃因其优异的物理性能被广泛使用，但近年来，聚合物材料因其轻质、低成本以及易于加工的特性逐渐成为主流选择。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）作为一种理想的硬质塑料，在激光微加工领域具有显著优势，特别是在使用近红外（NIR）皮秒（ps）激光直接加工黑色PMMA时。黑色PMMA由于其高吸收率和较低的激光加工阈值，为制造高宽比、U形截面的微流道提供了理想的材料选择。

研究团队通过一系列实验分析了不同激光参数对微流道表面形貌、宽度、深度、宽高比以及热影响区（HAZ）的影响。首先，他们对黑色PMMA和透明PMMA的激光加工阈值进行了测量和对比，发现黑色PMMA在NIR ps激光下的加工阈值明显低于透明PMMA在CO?激光下的阈值，同时也低于NIR飞秒（fs）激光下的阈值。这表明，使用黑色PMMA可以显著提高激光加工效率，减少能量浪费，同时改善微流道的加工质量。

在单次激光扫描实验中，团队研究了激光功率、光斑重叠率和脉冲重复频率对微流道表面形貌和HAZ的影响。结果表明，高光斑重叠率有助于形成平滑且均匀的微流道边缘，而较高的激光功率和脉冲重复频率会导致更大的热影响区。为了获得最佳的微流道表面形貌，团队发现将脉冲重复频率设置为1000 kHz，并且光斑重叠率高于99.97%，能够显著提高加工质量。

在微流道宽度、深度和宽高比的研究中，团队发现激光功率和扫描速度对这些参数有显著影响。具体而言，当激光功率增加时，微流道宽度也随之增加，而扫描速度加快则会导致宽度减小。此外，激光能量密度的增加会提高微流道的深度。通过实验分析，团队得出了一些重要的功能表达式，这些表达式能够有效描述单次激光扫描过程中微流道宽度、深度和宽高比的变化规律。研究还指出，激光功率对微流道宽度和深度的影响大于扫描速度，而扫描速度对HAZ的影响最大，这表明在加工过程中需要在激光功率和扫描速度之间找到平衡，以实现高质量的微流道制造。

为了制造具有高宽高比和U形截面的微流道，团队采用了一种多聚焦和多次扫描的加工方法。这种方法能够有效提高微流道的宽高比，同时保持较小的宽度和良好的截面形状。实验结果表明，当激光功率为3.5 W、扫描速度为8 mm/s，并进行7次扫描时，微流道的宽高比达到了8.4。这不仅表明NIR ps激光技术在制造高宽高比微流道方面具有显著优势，也说明其在提高加工效率方面优于CO?激光和fs激光技术。

在微混合器的混合效率比较方面，团队发现，NIR ps激光制造的微流道具有更高的宽高比和更小的宽度，这有助于增强流体分子在微流道内的扩散，从而提高混合效率。相比之下，CO?激光制造的微流道宽高比较低，且通道宽度较大，这限制了其在微混合器应用中的性能。此外，研究还指出，NIR ps激光在加工质量和效率方面均优于CO?激光和fs激光，尤其是在制造具有高宽高比和U形截面的微流道时。

研究团队还分析了不同激光参数对微流道截面形状的影响。当扫描速度较低时，光斑重叠率较高，导致更多的激光能量集中在微流道的中间层，从而形成类似纺锤形的截面。随着扫描速度的增加，微流道的截面形状逐渐转变为U形。这种变化不仅与激光能量分布有关，还受到光斑移动速度和激光重叠率的影响。通过多聚焦和多次扫描，团队能够制造出具有稳定U形截面的微流道，而无需依赖多次并行扫描。这种加工方式在提升微流道质量的同时，也显著提高了加工效率。

此外，团队还对微流道的热影响区（HAZ）进行了深入分析。HAZ的大小受到激光功率、扫描速度和扫描次数的影响。较高的激光功率和较低的扫描速度会导致较大的HAZ，而较高的扫描速度则有助于减少HAZ的范围。通过多聚焦和多次扫描的加工方法，团队能够有效控制HAZ的大小，从而提升微流道的整体质量。

综上所述，本研究通过NIR ps激光直接加工黑色PMMA，成功制造出具有高宽高比和U形截面的高质量微流道。该方法不仅在加工效率和质量方面优于传统CO?激光和fs激光技术，而且通过实验验证了其在提升微混合器混合效率方面的潜力。研究还指出，未来的研究可以进一步探索不同激光参数对微流道性能的影响，以及如何优化加工过程以实现更广泛的微流体应用。