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生物医学玻璃的激光微加工—芯片实验室

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相信大家在部分科幻电影或动漫中,常常能看到可以植入人体的芯片,用来监控身体各个参数、增强人体机能和神经反应。芯片一旦植入,普通人就变身成为神秘特工或未来战士。

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而现实中随着马斯克的脑机接口正在一步步迈向临床,AlphGo把人类棋手完虐等以前只能在科幻电影中见到的“未来科技”,逐步在现实生活中出现的时候,拥有“小身材有大智慧”的AI芯片似乎也能够梦想照进现实了。

事实上,如今已有一些“芯片实验室(Lab-on-a-chip)”出现了,并且其发展速度是非常快的!

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芯片实验室

 

什么是“芯片实验室(Lab-on-a-chip)”?简单地说,能够将整个在实验室中进行的基本操作单位集成到简单微系统上的技术就叫“芯片实验室”。“芯片实验室”中的芯片是作为流体在其中流动的微通道图案,可被模塑或刻蚀。

 

微通道和外部宏观环境之间的连接需要通过若干孔,这些孔穿透芯片,具有不同的尺寸,用于将流体注入芯片或从芯片中移除。在微流控芯片中,根据实验需要,流体被混合、分离或引导。最终结果可形成自动复合系统,从而实现高通量检测。

 

在生物医学应用领域,芯片实验室可以实现快速诊断。芯片实验室技术有望成为一种重要的诊断工具。这些微型化的设备使医疗保健服务提供方可以使用非常少量的试剂和测试样本执行一系列诊断测试。此外得益于它们的便携性,还可以在远离实验室环境的现场进行测试。

 

制作芯片实验室(Lab- on-a-chip)或微流控芯片(Microfluidic chip)的材料主要是玻璃,受限于芯片的微尺度特性,在制备过程中,对玻璃进行激光微加工有着很高的要求。制作芯片实验室的最大挑战之一是在玻璃芯片内部加工高精度管道、容器和阀门。

 

挑战:玻璃微加工

 

 

由于其脆性和透明性,玻璃中进行微小的特征加工进行是相当困难的。如果使用常规工具手段,实际上是不可能的。但是超快激光器可以胜任这种加工。当脉冲持续时间低于几十皮秒时,激光与材料的相互作用进入冷烧蚀状态,加工质量和精度会变得很高。

 

常规的微制造方法,例如光刻,压印和软蚀刻,已经用于制备微流体芯片。然而,当要实现具有多功能集成的复杂微流控芯片时,这些方法将面临巨大挑战,因为它们需要太多工艺步骤,并且成本很高。 

 

完美刻蚀来啦

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▲由NKT Photonics的ORIGAMI XP飞秒激光制备的芯片实验室样品

大功率超快激光脉冲穿透玻璃。紧聚焦的飞秒激光脉冲可以经济高效地生产具有多功能的通用微流控芯片。超短脉冲宽度提供了令人难以置信的峰值功率,即使在透明材料中,也可以进行表面和块状材料内部的改性以进行划线。

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▲飞秒激光加工的芯片沟道特写

超快激光确保加工的高精度和高质量。通过利用激光的高度空间选择性,可以将相互作用区域准确地设置在材料的特定局部区域。这使得飞秒加工技术可以在透明材料中以微尺度对复杂的三维形状进行非常高分辨率的图案化和雕刻。

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▲深度小于10 μm的沟道特写

NKT超快激光器可以实现非常精细的深度和通道宽度控制

飞秒级超短脉冲宽度比材料中的电子-声子耦合过程都短,因此超短的飞秒脉冲宽度,意味着在飞秒时间尺度传递能量,这能很好的抑制热影响区的形成和热损害。这种“冷烧蚀”方式实现了高精度和高分辨率的微加工处理,并具有较高的处理可靠性。紧密聚焦的光束可以在微尺度上非常高分辨率地对复杂形状进行微加工。

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▲用ORIGAMI XP飞秒激光处理过的芯片实验室样品的特写

图片展示为芯片中直径约0.6 mm的圆形储集层

 

 

NKT Photonics:我们来提供

NKT Photonics的超快激光提供的超短脉冲非常适合用于制备芯片实验室器件。我们强烈建议将ORIGAMI XP用于玻璃和其他透明材料的激光加工。

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ORIGAMI XP是一款集成、单箱、微焦级飞秒激光器。激光头、控制器和空气冷却系统都集成在一个小巧而坚固的包装中,体积小,甚至可以放在手提行李中! 

 

ORIGAMI XP系统基于紧凑的啁啾脉冲放大技术平台,能够在1030 nm处提供高达75µJ的脉冲能量,5 W的平均功率以及小于400 fs的脉冲持续时间。 

特点:

•风冷,单箱体,易于集成

•<400 fs标准脉冲宽度

• 5 W / 75 µJ @ 1030nm

•2.5 W / 40 µJ @ 515 nm

•1 W / 20 µJ @ 343nm

•单发(Single-shot)和按需脉冲(Pulse-on-Demand)

•双输出波长模块

•出色的脉冲能量和指向稳定性

•工业,坚固的设计

•可以任意方向安装

•实时脉冲能量测量和控制

•高可靠性

•亦可用水冷  

北京凌云光技术集团作为NKT Photonics公司在中国的战略合作伙伴,多年的合作中NKT Photonics公司与凌云始终如一,为客户不断提供更稳定、更先进、更前沿的技术!

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