一种多光子聚合物的局部聚合度测量装置及方法制造方法及图纸

一种多光子聚合物的局部聚合度测量装置，包括单脉冲长焦距多光子曝光装置和显微光谱测量装置；所述的单脉冲长焦距多光子曝光装置包括：超快激光器、第一可调衰减片、偏振片、第二可调衰减片、快门、聚焦透镜、激光分光镜、供光刻胶样品放置的电控位移台、光电探测器、光束质量分析仪和计算机。本发明专利技术可以避免高重频脉冲诱导聚合中可能存在的热效应和非线性副效应的影响，单纯地分析聚合度与激光参量的关系，有助于理解多光子聚合物的特性与激光参量的关系，并加以调控。并加以调控。并加以调控。

【技术实现步骤摘要】
一种多光子聚合物的局部聚合度测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及多光子聚合领域和显微光谱测量领域，特别是采用单脉冲长焦距的曝光方法诱导多光子聚合，使聚合点的尺度达到数百微米量级，可以采用显微光谱技术测量其局部聚合度。结合激光焦点光强、偏振等信息，分析聚合度与激光参量的关系。有助于理解多光子聚合物的特性与激光参量的关系，并加以调控。

技术介绍

[0002]基于多光子聚合的微纳增材制造技术已经广泛应用于光子晶体、微生物结构、微机电器件和其它功能性微纳零件的3D打印。其原理是将近红外飞秒激光脉冲紧聚焦在光刻胶内部，通过多光子吸收为光刻胶中的引发剂提供能量使其裂解产生活性物质，诱导光刻胶中的低聚物发生聚合反应并形成大分子；由于多光子吸收是一种与光强二次方成正比的非线性效应，仅会在激光焦点中心能量较高处才会发生，因此其诱导的聚合反应也受此限制，局限在焦点中心很小的体积范围内，可达到10nm级别；通过调整激光焦点在光刻胶内部的相对位置，可实现复杂结构的扫描加工；当激光辐照结束后，将光刻胶整体浸泡在相应的有机溶剂中浸泡，小分子低聚物将被溶解，而大分子高聚物得以保留。是一种高效灵活制备复杂微纳结构的增材制造方式，目前已有实验室用加工装置和商用设备(NanoScribe，德国)。
[0003]但是受到激光能量和位移平台等加工参数稳定性的影响，在长达数小时的扫描加工过程中，各个位置聚合产物的聚合度会有差异，这导致了最终形成的高分子聚合物在形貌和机械强度上有空间上的不均匀性。这种不均匀性会对微纳器件在其应用场景中的使用带来负面影响，因此有必要研究并控制加工的过程参数对多光子聚合产物的聚合度影响。
[0004]这就涉及到对微纳聚合器件的聚合度的测量。聚合度是衡量聚合物分子大小的指标，聚合度的大小影响高分子聚合物的机械特性(杨氏模量和硬度等)。以重复单元或结构单元为基准，聚合度即为聚合物大分子链上所含重复单元/结构单元的平均值。由于高分子聚合物大多是不同分子量的同系物的混合物，所以在此高分子聚合物的聚合度是指其平均聚合度。基于多光子聚合的微纳增材制造技术中常用光刻胶按引发方式不同，可分为两种：一种是阳离子引发的环氧基聚合体系，另一种是自由基引发的碳碳双键聚合体系。一般是由其发生聚合反应前后的化学键变化反应其聚合度，环氧基聚合体系发生开环聚合后，其环氧基中的碳氧键含量减少，普通的碳氧键含量上升；自由基聚合体系中的碳碳双键数量减少，转化为碳碳单键。这两种聚合体系的聚合度，由于其纳米尺度，难以用端基分析、渗透压和光散射等传统方法进行测量；而是用显微红外傅里叶/拉曼光谱测量其整体的聚合度。这种测量只能得出微纳器件整体的聚合度信息，而且加工是由高重频、紧聚焦的脉冲串诱导聚合的过程，整体性的聚合度信息不足以反应出其与激光脉冲特性的关系，对后续分析研究造成不便。
[0005]因此，本专利技术提出一种单脉冲长焦距的曝光方式诱导产生百微米级聚合点，结合分辨率为微米级的显微光谱技术，测量单脉冲曝光下聚合点局部的聚合度，结合激光焦点
光强、偏振等信息，分析聚合度与激光参量的关系。有助于理解多光子聚合物的特性与激光参量的关系，并加以调控。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种多光子聚合物的局部聚合度测量装置。该方法要能够方便地采用单脉冲长焦距激光光源对负性光刻胶进行曝光，形成直径达数百微米的聚合点；该激光焦点的大小、形态(高斯型和平顶型)、能量密度和偏振态可以调节；对于曝光显影后的聚合点，采用显微光谱方法测量其不同位置的光谱特性，得到其化学键透过率信息，计算并比较不同位置的聚合度。
[0007]本专利技术的技术解决方案如下：
[0008]一种多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特点在于，包括单脉冲长焦距多光子曝光装置和显微光谱测量装置；所述的单脉冲长焦距多光子曝光装置包括：超快激光器、第一可调衰减片、偏振片、第二可调衰减片、快门、聚焦透镜、激光分光镜、供光刻胶样品放置的电控位移台、光电探测器、光束质量分析仪和计算机；
[0009]沿所述的超快激光器的输出光方向依次是第一可调衰减片、偏振片、第二可调衰减片、快门、聚焦透镜和激光分光镜，经该激光分光镜分为前表面反射光、后表面反射光和透射光，所述的前表面反射光和后表面反射光可分别由光电探测器和光束质量分析仪接收并导入计算机，所述的透射光照射在光刻胶样品上；所述的快门和电控位移台分别由计算机控制开闭和运动配合。
[0010]在所述的激光分光镜的前后表面两束反射光输出方向分别设置光电探测器和光束质量分析仪；采用光电探测器实时记录激光焦点的能量；采用光束质量分析仪实时记录激光焦点的有效面积。光刻胶样品置于沿主光轴(z轴)方向移动的电控位移台上；所述的快门、光电探测器、电控位移台和光束质量分析仪分别与计算机相连；所述的用于化学键含量测量的显微光谱仪，根据聚合体系不同，包括可测量碳碳双键含量的显微拉曼光谱仪和可测量碳氧键含量的显微傅里叶变换红外光谱仪。
[0011]所述的超快激光器发出的激光光束为高斯光束；模式为TEM
00
；其输出波长λ在500nm至1064nm之间；其脉冲宽度τ在数fs到数ps之间；其重复频率R在1Hz至1kHz之间。
[0012]所述的第一可调衰减片、偏振片和第二可调衰减片构成激光的能量和偏振调节系统。调节第一可调衰减片，使得超快激光器的出射激光能量从0％至100％连续可调；调节第二可调衰减片，使得超快激光器的出射激光能量偏振态可以调节为为p偏振或s偏振。
[0013]所述的快门的通光口径大于超快激光器出射激光的直径。出射激光直径一般小于10mm。
[0014]所述的聚焦透镜的焦距一般大于50μm小于2m，焦点的有效直径大于100μm。
[0015]所述的激光分光镜是对波长λ的激光具有一定透射/反射比的分光镜。
[0016]所述的光电探测器为可测量波长λ的激光的脉冲能量的光电探测器，与计算机相连并记录数据。
[0017]所述的光束质量分析仪可测量波长λ的激光焦点的有效面积，与计算机相连并记录数据。
[0018]所述的光刻胶样品是经过旋涂并黏附在基底上的薄膜态负性光刻胶膜，光刻胶膜
层的厚度一般不超过100μm；光刻胶可以选用阳离子引发的环氧基体系光刻胶和自由基引发的碳碳双键体系光刻胶。
[0019]所述的电控位移台为三轴位移平台。其z轴移动可将样品置于焦点z轴中心；x
‑
y轴移动可在单点曝光后移动光刻胶样品的位置，换点继续进行曝光。
[0020]所述的快门和电控位移台均由计算机控制。
[0021]一种多光子聚合物的局部聚合度测量方法，包括如下步骤：
[0022]一、制备薄膜态光刻胶样品，包括如下步骤：
[0023]取适量液态光刻胶滴在基底上，基底置于匀胶机的转轴处，采用一定的转速、转速加速度和旋转时间，将液态光刻胶在基底上均匀展开至薄膜态；将基底置于加热板上，采用一定的温度和加热时间对其进行烘烤，使薄膜态光刻胶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，包括单脉冲长焦距多光子曝光装置和显微光谱测量装置；所述的单脉冲长焦距多光子曝光装置包括：超快激光器(1)、第一可调衰减片(2)、偏振片(3)、第二可调衰减片(4)、快门(5)、聚焦透镜(6)、激光分光镜(7)、供光刻胶样品(8)放置的电控位移台(9)、光电探测器(10)、光束质量分析仪(11)和计算机(12)；沿所述的超快激光器(1)的输出光方向依次是第一可调衰减片(2)、偏振片(3)、第二可调衰减片(4)、快门(5)、聚焦透镜(6)和激光分光镜(7)，经该激光分光镜(7)分为前表面反射光、后表面反射光和透射光，所述的前表面反射光和后表面反射光可分别由光电探测器(10)和光束质量分析仪(11)接收并导入计算机(12)，所述的透射光照射在光刻胶样品(8)上；所述的快门(5)和电控位移台(9)分别由计算机(12)控制开闭和运动配合。2.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的显微光谱测量装置为显微光谱仪，根据采用的光刻胶聚合体系不同，分为显微拉曼光谱仪，用于测量碳碳双键在聚合前后的变化；和显微傅里叶变换红外光谱仪，用于测量碳氧键在聚合前后的变化。3.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的超快激光器(1)发出的激光光束为高斯光束，模式为TEM
00
；其输出波长λ在500nm至1064nm之间；脉冲宽度τ在数fs到数ps之间；重复频率R在1Hz至1kHz之间。4.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的第一可调衰减片(2)、偏振片(3)和第二可调衰减片(4)构成的衰减/偏振调节组件，是对针对波长λ的激光设计的宽带低色散器件，所述的第一可调衰减片(2)使得超快激光器(1)的出射激光能量或功率从0％至100％连续可调，所述的第二可调衰减片(4)使得超快激光器(1)的出射激光偏振态p/s可调。5.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的快门(5)是电子机械快门或声光调制器，通光口径大于超快激光器(1)出射激光的直径。6.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的聚焦透镜(6)的焦距大于50μm小于2m，激光焦点的有效直径应大于100μm。7.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的激光分光镜(7)为对波长λ的激光具有一定分光比的分光镜。8.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的光电探测器(10)用于测量并记录波长λ的激光的能量/功率；光束质量分析仪(11)用于测量并记录波长λ的激光焦点的有效面积。9.根据权利要求1所述的多光子聚合物的局部聚合度测量装置，其特征在于，所述的光刻胶样品(8)为旋涂并黏附在基底上的薄膜态负性光刻胶，光刻胶膜层的厚度一般不超过100μm；光刻胶可以选用阳离子引发的环氧基体系光刻胶和自由基引发的碳碳双键体系光刻胶。10.一种多光子聚合物的局部聚合度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：第一阶段：制备薄膜态光刻胶样品，具体步骤如下：取适量液态光刻胶滴在基底上，基底置于匀胶机的转轴处，采用一定的转速、转速加速度和旋转时间，将液态光刻胶在基底上均匀展开至薄膜态；将基底置于加热板上，采用一定
的温度和加热时间对其进行烘烤，使薄膜态光刻胶黏附在及地上，获得光刻胶样品(8)；第二阶段：在单脉冲长焦距的波长λ的激光辐照下对光刻胶样品进行曝光处理，具体步骤如下：S1：以激光波长为λ的超快激光器(1)作光源，通过可调衰减片1(2)调节波长为λ的激光的输出能量，通过可调衰减片2(4)调节波长为λ的激光的偏振态(s/p)，通过快门调(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵元安，邵宇辰，邵建达，马浩，李大伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：