超快激光
近年来，超快激光成为了激光领域的先端发展趋势。所谓超快激光通常指脉冲宽度在皮秒（10-12s）级别、或小于皮秒级别的超短脉冲激光，根据输出激光的脉冲宽度，可细分为皮秒激光（10-12s）、飞秒激光（10-15s）、阿秒激光（10-18s）等。超快激光具有超短的脉宽和超高的峰值功率，加工时切面整齐、无微裂纹、无材料损伤、无熔融区域，使得其在精密加工甚至微纳加工方面具有独特的优势：
1）能够突破衍射极限尺寸，具有超高的空间分辨率；
2）与材料作用时间极短，加工区域热效应低；
3）应用广泛，可适应用多种材料的加工。
图1：超快激光在材料加工中无明显热效应
鉴于，超快激光在精密加工方面展现出的显著优势，其可用于包括芯片模组的切割、钻孔，光电材料的光波导及光器件的加工，生物、化学、医疗用微流控芯片的加工，金属材料精密切割和加工等，应用领域覆盖了生物医疗、航空航天、消费电子、能源环境、精密机械等行业。超快激光加工技术俨然成为一大热门精密加工手段，具有广泛的应用及发展前景。
图2：超快激光在精密加工方面的应用
下面以超快激光在微流控芯片加工方面的应用做具体介绍：
微流控技术
微流控技术作为新兴的分析、检测技术，其中涉及化学、流体力学、材料科学和生物医学等，能够满足分析仪器微型化/集成化与便携化的发展趋势，能够很大程度缩短样本处理时间，并通过精密控制液体流动，实现试剂耗材的最大利用效率。微流控芯片将生物、医疗和化学领域所涉及的基本操作单位缩小微米尺寸量级集成在一块几平方厘米的芯片上，将传统的实验室微型化和集成化，实现包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等功能，可重复多次使用。将以前需要在各种实验室内完成的检测、分析等工作，仅仅在一块小小的微流控芯片上即可完成，大大缩短了时间的同时，还可实现小型、便携化，将固定的大型传统实验室变成可“可四处奔走的实验室”。
图3：微流控芯片顺应技术发展的趋势
微流控芯片在生物医学研究、药物合成筛选、环境检测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域具有极为广阔的前景。
微流控芯片加工
微流控芯片最基本的组成部分包括由微孔、微槽、微腔等结构特征在微米量级的微通道系统，以及微通道系统内为实现某种特殊功能的微米量级的功能元件。目前，微流控芯片主要采用：硅材料、玻璃材料和高分子聚合物材料等；常用的微流控芯片加工方法包括：光刻加转印法、注塑模成型法、热压法以及纳米压印等。上述方法主要通过在微流控芯片材料基片的表面加工二维的微流控微通道，然后通过封接技术将基片和盖片进行键合成，并在盖片上加工相应的进、排液口得到所需的微流控芯片。相比较之下，上述微流控芯片加工方法局限于加工平面二维通道的微流控芯片，不能加工具有真三维复杂微通道结构的微流控芯片。
如何实现微流控芯片的真三维复杂微通道和微结构的加工仍然是一个重要研究方向，并且同时需要满足和追求加工过程的高精度、高效率等要求。
利用超快激光实现对微流控芯片进行微纳加工，则可以很好地解决上述问题，能够在微流控芯片中进行无掩膜直写加工，实现微流控芯片真三维微通道和微结构的加工。目前主要采用飞秒激光作为能量激光源，最高能够实现纳米级的空间加工分辨率。采用飞秒激光对微流控芯片进行微纳加工主要包括对微流控芯片微通道的烧蚀加工和对微流控芯片功能件的聚合加工。
图4：飞秒激光微纳加工系统
微流控芯片微通道加工：利用飞秒激光+氢氟酸辅助刻蚀的方法，主要用于在玻璃材料的微流控芯片内部三维微通道的加工。首先，利用飞秒激光聚焦在材料的内部对微流控芯片材料进行微纳加工，在材料内部烧蚀加工出真三维微通道结构；然后，通过氢氟酸超声腐蚀处理对飞秒激光加工的芯片进行疏通处理，实现对微流控芯片内部微通道的疏通。
图5：飞秒激光在微流控芯片加工微通道
微流控芯片功能件加工：利用飞秒激光双光子聚合加工的方法，主要用于在微流控芯片内部的微通道中真三维微型功能件的加工，一般采用光敏材料。首先，利用注射泵将液态光刻胶注入微流控芯片的微通道内；然后，利用飞秒激光聚焦在液态光刻胶中进行双光子聚合加工，加工形成微流控芯片微型功能元件。
图6：飞秒激光在微流控芯片加工功能件
此外，对于微流控芯片微通道和微型功能件加工，还可利用壳层扫描技术、多焦点并行加工技术、面形焦场加工技术，实现对微流控芯片的高效率飞秒激光微纳加工。以多焦点并行加工技术为例，利用微透镜阵列或空间光调制等方法将单束飞秒激光调制输出多束飞秒激光进行多焦点并行加工，实现对微流控芯片和微型功能件的加工，能够显著提升微流控芯片的加工速度和加工效率，通常能够将加工效率提高一个数量级以上，显著缩短时间，大大节省加工成本。
总结
利用超快激光通过激光烧蚀和双光子聚合的方法能够实现微流控芯片微通道和微型功能元件的加工，能够应用于各种用途和要求的微流控芯片的制备，同时能够为微流控芯片产品提供更多的设计理念和创新思路。基于超快激光微纳加工技术的支持，微流控芯片的功能化将越来越全面，从而推动微流控技术和微流控芯片在科学研究和各行各业中得到更加广泛的应用及发展。
