一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法技术

本发明专利技术提出了一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，属于飞秒激光应用领域。本方法首先将飞秒激光脉冲序列通过透镜或显微镜物镜聚焦到蚕丝表面，通过调控入射到蚕丝表面的飞秒激光脉冲个数、能量通量及偏振方向，在蚕丝表面制备得到了独立存在的单个椭圆形纳米盲孔。本发明专利技术方法基于近场光调制的原理，实现了在蚕丝表面加工远小于衍射极限的单个纳米盲孔。与传统方法相比，本发明专利技术具有加工精度高，灵活方便的优点，为制备高灵敏度传感器提供了一种可行的方法。

A Method of Machining Nano-blind Holes on Single Silk Surface by Femtosecond Laser

【技术实现步骤摘要】
一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法
本专利技术涉及一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，属于飞秒激光应用

技术介绍
蚕丝是一种古老的生物材料，与棉花、动物皮毛等自然材料一道被人类应用了上千年，由于蚕丝具有特殊的结构形式、优异的力学性能，在纺织行业有着重要的应用。此外，由于蚕丝蛋白具有优异的生物相容性且在400nm～700nm的可见光波段具有良好的光学透射性能，可作为用于生物体监测的光电传感器而受到重视。例如，蚕丝已被应用于牙齿细菌传感器、可食用的水果成熟度监测传感器等。上述器件的实现首先需要对蚕丝进行加工。目前，蚕丝蛋白器件的加工方法主要是通过对天然蚕茧进行脱胶、透析等过程得到纯净的丝素蛋白溶液，进一步再通过铸造、旋涂、软刻蚀、纳米压印、喷墨印刷等得到具有相应功能的结构。但由于蚕丝本身尺寸小(～10μm)且力学性能强，对天然蚕丝直接进行微纳加工非常困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，针对目前缺乏直接在单根蚕丝上加工纳米盲孔的方法，利用飞秒激光与丝素蛋白作用过程中的近场调制原理及多光子非线性吸收效应，通过合理调控飞秒激光参数，产生独立存在的、短轴长度小于100nm的椭圆盲孔结构。本专利技术提出的利用飞秒激光在蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，包括以下步骤：(1)利用外延法测定待加工蚕丝的烧蚀阈值，过程如下：(1-1)将N个能量通量为F0的飞秒激光脉冲通过透镜聚焦到蚕丝表面，根据入射的飞秒激光波长λ、光斑直径DL、质量因数M2和透镜焦距f计算得到焦点处束腰半径ω0，(1-2)测量步骤(1-1)得到的蚕丝表面烧蚀圆斑半径r；(1-3)计算N个脉冲下蚕丝烧蚀阈值Fth，(2)将飞秒激光脉冲序列通过透镜或显微镜物镜聚焦到单根蚕丝表面；(3)控制飞秒激光的参数为：飞秒激光脉冲个数为300～800个，飞秒激光的能量通量为相应脉冲个数下蚕丝烧蚀阈值的1.05～1.15倍，飞秒激光的偏振方向与蚕丝轴向垂直，在蚕丝表面加工得到独立存在的纳米椭圆盲孔。上述蚕丝表面加工纳米盲孔的方法具体步骤为：(2-1)构建一个飞秒激光加工系统，包括飞秒激光器、半波片、中性密度衰减片、电控快门、照明光源、半透半反镜、二向色镜、透镜或显微物镜和平移台；所述的飞秒激光器发出的飞秒激光依次通过半波片、中性密度衰减片和电控快门形成第一光路，所述的照明光源发出的可见光依次通过半透半反镜、二向色镜、透镜或显微物镜照射到平移台上形成第二光路，所述的电荷耦合元件和成像透镜形成第三光路；所述的第一光路与第二光路相互垂直，并在二向色镜处相交，所述的第二光路与第三光路相互垂直，并在半透半反镜处相交；(2-2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器，产生飞秒激光脉冲，调低重复频率至10Hz，设定电控快门为单次曝光模式，设定曝光时间，使通过快门的飞秒激光脉冲数为1，调节平移台的高度，使固定能量下的单个脉冲在蚕丝表面产生的烧蚀圆斑直径最小，完成飞秒激光加工系统的调试，此时飞秒激光准确聚焦到蚕丝表面；(2-3)通过半波片调节飞秒激光脉冲的偏振方向，使辐照到蚕丝表面的飞秒激光脉冲偏振方向与蚕丝轴线方向垂直。(2-4)通过调节中性密度衰减片，使入射到蚕丝表面的单脉冲能量通量为对应脉冲个数下蚕丝烧蚀阈值的1.05～1.15倍之间；(2-5)设置飞秒激光器重复频率和电控快门的曝光时间，使通过快门的飞秒激光脉冲数为N，完成加工。本专利技术的目的是通过以下技术来实现的：本专利技术提出的一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，其优点是：1、本专利技术方法与已有技术中的制备丝蛋白水溶液后通过铸造、旋涂、软刻蚀、纳米压印、喷墨印刷等方法对比，本专利技术的飞秒激光微纳制造方法是一种非接触、无掩膜的加工方法，具有超快、超强、高精度的特点，可以直接利用天然蚕丝制备高灵敏度蛋白质传感器。2、本专利技术方法确定了入射到蚕丝表面的单脉冲能量通量为对应脉冲个数下蚕丝烧蚀阈值的1.05～1.15倍时，可实现独立存在的、短轴长度小于100nm的椭圆盲孔制备，加工精度高。3、本专利技术方法加工制备的表面加工有纳米孔的蚕丝，利用飞秒激光，直接对单根天然蚕丝进行加工，具有工艺简单，灵活性好等优点。附图说明图1是本专利技术实施例中采用的飞秒激光加工系统。图1中，1是飞秒激光器，2是半波片，3是中性密度衰减片，4是电控快门，5是照明光源，6是半透半反镜，7是二向色镜，8是透镜或显微物镜，9是蚕丝，10是平移台，11是电荷耦合元件(CCD)，12是成像透镜。具体实施方式本专利技术提出的利用飞秒激光在蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，包括以下步骤：(1)利用外延法测定待加工蚕丝的烧蚀阈值，过程如下：(1-1)将N个能量通量为F0的飞秒激光脉冲通过透镜聚焦到蚕丝表面，根据入射的飞秒激光波长λ、光斑直径DL、质量因数M2和透镜焦距f计算得到焦点处束腰半径ω0，(1-2)测量步骤(1-1)得到的蚕丝表面烧蚀圆斑半径r；(1-3)计算N个脉冲下蚕丝烧蚀阈值Fth，(2)将飞秒激光脉冲序列通过透镜或显微镜物镜聚焦到单根蚕丝表面；(3)控制飞秒激光的参数为：飞秒激光脉冲个数为300～800个，飞秒激光的能量通量为相应脉冲个数下蚕丝烧蚀阈值的1.05～1.15倍，飞秒激光的偏振方向与蚕丝轴向垂直，在蚕丝表面加工得到独立存在的纳米椭圆盲孔。本专利技术提出的蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，具体为：(2-1)构建一个飞秒激光加工系统，其结构如图1所示，包括飞秒激光器1、半波片2、中性密度衰减片3、电控快门4、照明光源5、半透半反镜6、二向色镜7、透镜或显微物镜8和平移台10；所述的飞秒激光器1发出的飞秒激光依次通过半波片2、中性密度衰减片3和电控快门4形成第一光路，所述的照明光源5发出的可见光依次通过半透半反镜6、二向色镜7、透镜或显微物镜8照射到平移台10上形成第二光路，所述的电荷耦合元件11和成像透镜12形成第三光路；所述的第一光路与第二光路相互垂直，并在二向色镜7处相交，所述的第二光路与第三光路相互垂直，并在半透半反镜6处相交；(2-2)对飞秒激光加工系统进行调试：开启飞秒激光器1，产生飞秒激光脉冲，调低重复频率至10Hz，设定电控快门4为单次曝光模式，设定曝光时间，使通过快门的飞秒激光脉冲数为1，调节平移台10的高度，使固定能量下的单个脉冲在蚕丝表面产生的烧蚀圆斑直径最小，完成飞秒激光加工系统的调试，此时飞秒激光准确聚焦到蚕丝9表面；(2-3)通过半波片2调节飞秒激光脉冲的偏振方向，使辐照到蚕丝9表面的飞秒激光脉冲偏振方向与蚕丝轴线方向垂直。(2-4)通过调节中性密度衰减片3，使入射到蚕丝9表面的单脉冲能量通量为对应脉冲个数下蚕丝烧蚀阈值的1.05～1.15倍之间；(2-5)设置飞秒激光器重复频率和电控快门4的曝光时间，使通过快门的飞秒激光脉冲数为N个，完成加工。下面结合附图以及实施例对本专利技术做进一步介绍：本专利技术在如图1所示的飞秒激光加工系统中实施，该系统包括加工子系统和观测子系统两部分。其中加工子系统包括飞秒激光器1、半波片2、中性密度衰减片3、电控快门4、二向色镜7、透镜或显微物镜8和平移台10。观测子系统包括照明光源5、半透半反镜6、透镜或显微物镜8、电荷耦合元件(CCD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)利用外延法测定待加工蚕丝的烧蚀阈值，过程如下：(1‑1)将N个能量通量为F0的飞秒激光脉冲通过透镜聚焦到蚕丝表面，根据入射的飞秒激光波长λ、光斑直径DL、质量因数M

【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光在单根蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)利用外延法测定待加工蚕丝的烧蚀阈值，过程如下：(1-1)将N个能量通量为F0的飞秒激光脉冲通过透镜聚焦到蚕丝表面，根据入射的飞秒激光波长λ、光斑直径DL、质量因数M2和透镜焦距f计算得到焦点处束腰半径ω0，(1-2)测量步骤(1-1)得到的蚕丝表面烧蚀圆斑半径r；(1-3)计算N个脉冲下蚕丝烧蚀阈值Fth，(2)将飞秒激光脉冲序列通过透镜或显微镜物镜聚焦到单根蚕丝表面；(3)控制飞秒激光的参数为：飞秒激光脉冲个数为300～800个，飞秒激光的能量通量为相应脉冲个数下蚕丝烧蚀阈值的1.05～1.15倍，飞秒激光的偏振方向与蚕丝轴向垂直，在蚕丝表面加工得到独立存在的纳米椭圆孔。2.如权利要求1所述的蚕丝表面加工纳米盲孔的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(2-1)构建一个飞秒激光加工系统，包括飞秒激光器、半波片、中性密度衰减片、电控快门、照明光源、半透半反镜、二向色镜、透镜或显微物镜和平移台；所述的飞秒激光器发出的飞秒激光依次...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，乔明，闫剑锋，
申请(专利权)人：清华大学，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11