研究人员来自青岛科技大学、特拉维夫大学和开罗大学，展示了一种新型飞秒激光方法，用于在UV固化树脂中制造矩形微通道。该方法结合了零阶高斯光束和一阶贝塞尔光束，能够实现比单一光束更平滑的表面和更高的材料去除率。与传统的高斯光束和贝塞尔光束相比，组合光束大幅降低了表面粗糙度，提升了材料去除率，且无需化学腐蚀或抛光处理，能在一次扫描中高效完成微通道制造。这一技术在微流控芯片、器官芯片及生物医学分析设备中具有广泛应用前景。
青岛科技大学、特拉维夫大学和开罗大学的研究人员展示了一种新的飞秒激光方法，用于在UV固化树脂中制造矩形微通道。该方法发表于《Nature Communications》期刊，结合了零阶高斯光束和一阶贝塞尔光束，产生比单一光束更平滑的表面和更高的材料去除率。
传统的高斯光束会产生粗糙的微通道底部并积累碎屑，而贝塞尔光束提供更好的均匀性，但仍会留下烧蚀坑。相比之下，组合光束的微通道底部粗糙度（Ra）为0.128 µm，而高斯光束和贝塞尔光束分别为0.361 µm和0.377 µm。材料去除率（MRR）也显著提高。在0.98 W的激光功率和0.03 mm/s的扫描速度下，高斯光束的材料去除率为882.219 µm³/s，贝塞尔光束为3490.590 µm³/s，而组合光束达到了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（LSCM）和扫描电子显微镜（SEM）显示，在组合光束加工下，微通道呈矩形截面，且侧壁均匀，没有熔融残留物或烧蚀坑。原子力显微镜（AFM）验证了所有测试条件下最低的粗糙度值。
该方法使用空间光调制器（SLM）来控制全息相位和拓扑结构。一个棱形光栅将零阶高斯光束与一阶贝塞尔光束分开，并将其定位在贝塞尔光束的前方。这种空间对准使得两束光依次作用：高斯光束迅速突破材料阈值并定义出锐利的轮廓，而贝塞尔光束的长焦深度和均匀的环形结构则修整内表面，消除了V形侧壁并平滑了微通道底部。
这种协同作用减少了热效应和热影响区。通过将能量更均匀地分布在加工区域，组合光束防止了熔融飞溅，并通过控制材料的回流填充烧蚀坑。
研究还评估了全息参数对通道尺寸的影响。通过将全息图的相位半径值（s）增加四个像素，通道宽度增加了3.2 µm，而将拓扑电荷（n）增加四个单位，深度减少了0.7 µm。这些结果表明，可以通过光学调制独立调节通道的宽度和深度。
在一项实验中，使用不同相位值的全息图制造了宽度分别为23.510 µm、20.318 µm和17.113 µm、深度均约为10.360 µm的微通道。调整拓扑电荷为1、5和9时，产生的通道深度分别为11.062 µm、10.358 µm和9.663 µm，而宽度保持在23.637 µm附近。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，从而实现可调的微通道制造，而无需改变激光硬件。
光栅周期和扫描速度也被变化以评估工艺的稳定性。当光栅周期设置为20时，零阶和贝塞尔光束的重叠产生了最均匀的形貌，没有烧蚀坑。在周期小于15时，光束间距过大，导致烧蚀不规则；而在周期为25时，光束过度重叠，导致微通道中心的能量集中，产生熔融流动模式。
扫描速度对表面质量有显著影响。在0.05 mm/s时，微通道的深度为11.259 µm，宽度为10.731 µm，Ra为0.308 µm，产生了最平滑的表面。扫描速度超过0.07 mm/s时，产生了烧蚀坑和不完全熔化，而低于0.03 mm/s的较慢扫描速度则导致了能量过度积聚，并产生了类似蜂窝的底部形貌。
UV固化树脂因其低成本、化学抗性和光学透明性而广泛应用于微流控技术。在这些材料中制造微通道通常需要多步或后处理以获得平滑的表面。该研究展示的组合光束方法则能在一次扫描中制造出矩形微通道，且无需化学蚀刻或抛光。
与之前报告的使用CO₂激光加工配合掩模或飞秒激光加工后再进行化学蚀刻的方法相比，基于全息的组合光束提供了更高的效率和灵活性。通过将粗糙度降低至128 nm，并将材料去除率提高近八倍，解决了基于激光的微通道制造中两个主要挑战：通量和表面质量。
该方法的潜在应用包括实验室芯片系统、器官芯片平台和生物医学分析设备，这些领域对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调节通道尺寸的能力也加速了原型设计的过程，使得设备设计的快速迭代成为可能。
