ES2360778A1 - Apparatus and method for direct laser printing - Google Patents
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Abstract
Aparato y método para la impresión directa con láser.La invención hace referencia a la impresión directa de líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser sobre un sustrato receptor por medio de un pulso láser fuertemente focalizado en un punto poco profundo dentro del líquido contenido en un contenedor. La invención evita los inconvenientes de la preparación de una película líquida como la que ha sido utilizada en el estado de la técnica anterior y permite la incidencia repetida del pulso láser en la misma posición del líquido sin reducción de la reproducibilidad. La invención también hace posible la impresión de microgotas bien definidas con alta reproducibilidad.Apparatus and Method for Direct Laser Printing The invention relates to the direct printing of liquids transparent to, or weakly absorbing, laser radiation onto a receiving substrate by means of a laser pulse strongly focused on a shallow point within the liquid contained in a container. The invention avoids the drawbacks of preparing a liquid film such as that which has been used in the prior state of the art and allows the repeated incidence of the laser pulse in the same position of the liquid without reducing reproducibility. The invention also enables the printing of well defined microdroplets with high reproducibility.
Description
Aparato y método para la impresión directa con láser.Apparatus and method for direct printing with To be.
El campo de la técnica se refiere a la impresión directa con láser de líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser sobre un sustrato receptor por medio de pulsos láser focalizados en un punto poco profundo dentro del líquido contenido en un contenedor que evita los inconvenientes relacionados con la preparación de una película delgada.The field of technique refers to printing direct with laser of transparent liquids to, or weakly absorbents of, the laser radiation on a receiving substrate by medium of laser pulses focused on a shallow point inside of the liquid contained in a container that avoids the inconveniences related to the preparation of a thin film.
La escritura directa es un método adecuado para la realización de motivos micrométricos en aplicaciones que requieren un alto grado de flexibilidad, sin las restricciones que supone el uso de máscaras. El ejemplo más representativo de una técnica de escritura directa es la impresión por inyección de tinta, que permite depositar materiales que han sido puestos previamente en disolución o en suspensión en un líquido: se depositan gotas micrométricas cuando la tinta es forzada a atravesar un pequeño orificio.Direct writing is a suitable method for the realization of micrometric patterns in applications that they require a high degree of flexibility, without the restrictions that It involves the use of masks. The most representative example of a Direct writing technique is inkjet printing, which allows depositing materials that have been previously placed in solution or suspension in a liquid: drops are deposited micrometers when the ink is forced through a small orifice.
No obstante, la obstrucción del orificio constituye un factor limitante para la impresión por inyección de tinta, especialmente cuando se desea una alta resolución espacial. Las técnicas de impresión con láser han aparecido como alternativas interesantes a la impresión por inyección de tinta. Entre ellas, la transferencia inducida por láser (LIFT, del inglés Laser Induced Forward Transfer) de líquidos ha recibido una atención especial. En la LIFT se depositan microgotas a través de la transferencia de líquido desde una película emisora, situada sobre un soporte transparente, hacia un sustrato receptor mediante el uso de un pulso láser. En este caso no se requiere orificio que limite las dimensiones de las microgotas: las dimensiones son determinadas por el diámetro del haz láser, y por el espesor de la película, típicamente de unas micras. En el caso de la LIFT, el pulso láser se focaliza con el objetivo de limitar las dimensiones de las microgotas, y es absorbido justamente en la superficie de la película.However, hole obstruction is a limiting factor for inkjet printing, especially when high spatial resolution is desired. Laser printing techniques have appeared as interesting alternatives to inkjet printing. Among them, the laser-induced transfer (LIFT) of liquids Laser Induced Forward Transfer ) has received special attention. In the LIFT microdrops are deposited through the transfer of liquid from a emitting film, located on a transparent support, to a receiving substrate through the use of a laser pulse. In this case, no hole is required that limits the dimensions of the microdroplets: the dimensions are determined by the diameter of the laser beam, and by the thickness of the film, typically a few microns. In the case of LIFT, the laser pulse is focused in order to limit the dimensions of the microdroplets, and is absorbed precisely on the surface of the film.
Los primeros desarrollos de las técnicas LIFT centraron sus aplicaciones en la microelectrónica, y los materiales a imprimir eran sólidos, principalmente metales, que absorben la radiación láser. Las patentes US 3560258 y US 4970196 se refieren a la realización de motivos por depósito de material con láser desde una película delgada hacia un sustrato receptor. En esta última patente la escritura directa mediante láser se consigue atacando la película delgada de material con un pulso láser proveniente de la fuente de radiación láser pulsada, causando el arranque selectivo de material fuera del soporte ópticamente transparente y depositándolo sobre la superficie del sustrato receptor.The first developments of LIFT techniques focused their applications on microelectronics, and materials to print were solids, mainly metals, that absorb the laser radiation Patents US 3560258 and US 4970196 refer to the realization of reasons for depositing material with laser from a thin film towards a receiving substrate. In this last patent direct writing by laser is achieved by attacking the thin film of material with a laser pulse coming from the Pulsed laser radiation source, causing selective start-up of material outside the optically transparent support and depositing it on the surface of the receiving substrate.
En un desarrollo posterior se consideró el depósito de materiales no absorbentes de la radiación láser. En esta aplicación, una capa delgada absorbente se intercala entre la película delgada del material a depositar y el soporte transparente, como se detalla en la patente US 4752455. El pulso láser es dirigido a través del soporte transparente a la capa absorbente con suficiente energía para vaporizar rápidamente una porción de la capa absorbente. El material de la película delgada es eyectado por la impulsión debida a la vaporización de la capa y la reacción de la misma contra el soporte transparente, y depositado sobre la superficie del sustrato receptor.In a later development the deposit of non-absorbent materials of laser radiation. In this application, a thin absorbent layer is sandwiched between the thin film of the material to be deposited and the transparent support, as detailed in US patent 4752455. The laser pulse is directed through the transparent support to the absorbent layer with enough energy to quickly vaporize a portion of the layer absorbent. The thin film material is ejected by the drive due to vaporization of the layer and the reaction of the same against the transparent support, and deposited on the receiving substrate surface.
Las siguientes mejoras se centraron en la sustitución de las dos capas (la capa absorbente y la película delgada del material a depositar) por una única película formada por un material que actuaba de matriz con partículas del material a depositar embebidas en la matriz. La energía del pulso láser no es absorbida por las partículas embebidas sino por la matriz que las rodea. Las patentes US 6177151 y US 6766764 son buenos ejemplos de esta solución técnica.The following improvements focused on the replacement of the two layers (the absorbent layer and the film thin of the material to deposit) by a single film formed by a material that acted as a matrix with particles of the material a deposit embedded in the matrix. The energy of the laser pulse is not absorbed by embedded particles but by the matrix that surrounds. US 6177151 and US 6766764 are good examples of This technical solution.
Finalmente, para el depósito de materiales frágiles la técnica LIFT se aplicó a la transferencia de líquidos, como se detalla en la patente US 6805918. En este caso, la película delgada es una película líquida que contiene el material a depositar disuelto o en suspensión en el líquido. En muchas aplicaciones, como en la impresión de biomoléculas o de células vivas, la disolución o suspensión es transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser. En este caso, se usa una capa delgada absorbente sólida para absorber la radiación. Esta capa delgada absorbente está situada entre el soporte transparente y la película líquida. En todos los casos la absorción de la radiación genera una burbuja de vapor que provoca la emisión de una microgota o un microchorro que se deposita sobre la superficie del sustrato receptor y forma sobre ésta una microgota.Finally, for the deposit of materials fragile the LIFT technique was applied to the transfer of liquids, as detailed in US 6805918. In this case, the film thin is a liquid film that contains the material to deposit dissolved or suspended in the liquid. In many applications, such as in the printing of biomolecules or living cells, the solution or suspension is transparent to, or weakly absorbent of, the laser radiation In this case, a thin absorbent layer is used Solid to absorb radiation. This thin absorbent layer is located between the transparent support and the liquid film. In in all cases the radiation absorption generates a bubble of steam that causes the emission of a micro drop or a micro cub that it is deposited on the surface of the receiving substrate and forms on This is a micro drop.
Otra técnica para la impresión con láser de materiales se describió por primera vez en la patente EP 2738. En esta técnica la radiación láser incide directamente sobre la superficie del material a imprimir y se absorbe en ella, produciendo la vaporización de una pequeña porción de este material que es emitida hacia atrás (en contraste con la LIFT, donde el material es emitido hacia adelante), y depositada por recondensación sobre el sustrato receptor, situado por encima de la superficie donde ocurre la absorción de la radiación láser. Como el haz láser atraviesa el sustrato receptor, este sustrato debe ser transparente a la radiación láser. Esta técnica se ha aplicado a la impresión de materiales inorgánicos sólidos, pero no es adecuada para materiales frágiles disueltos o en suspensión, ya que estos materiales se descompondrían irreversiblemente durante la vaporización.Another technique for laser printing Materials were first described in EP 2738. In This technique laser radiation directly affects the surface of the material to be printed and absorbed into it, producing the vaporization of a small portion of this material that is issued back (in contrast to the LIFT, where the material is issued forward), and deposited by recondensation on the receiving substrate, located above the surface where it occurs The absorption of laser radiation. As the laser beam crosses the receiving substrate, this substrate must be transparent to the laser radiation This technique has been applied to the printing of solid inorganic materials, but not suitable for materials fragile dissolved or suspended, since these materials are they would irreversibly decompose during vaporization.
Una revisión genérica de las técnicas de escritura directa se presenta en K.K.B. Hon et al., "Direct writing technology", Advances and developments, CIRP Annals - Manufacturing Technology 2008, vol. 57, pp. 601-620; y una revisión más directamente relacionada con el campo de la invención se presenta en C.B. Arnold et al., "Láser direct-write techniques for printing complex materials", MRS Bulletin 2007, vol. 32, pp. 23-31.A generic review of direct writing techniques is presented in KKB Hon et al ., "Direct writing technology", Advances and developments, CIRP Annals - Manufacturing Technology 2008, vol. 57, pp. 601-620; and a review more directly related to the field of the invention is presented in CB Arnold et al., "Laser direct-write techniques for printing complex materials", MRS Bulletin 2007, vol. 32, pp. 23-31.
La patente US7438859 describe un método y un aparato para el depósito de muestras mediante impulsión con láser. La patente se centra en la manipulación de muestras de material en diversos campos, como la proteómica automatizada, la genómica, y otro tipo de investigación biotecnológica. La invención constituye un método alternativo a los aparatos de manipulación de líquidos, como pipetas, dispensadores de líquidos robotizados, dispositivos de "spotting", etc., el cual permite reducir el procesado de pequeños volúmenes de muestra.US7438859 describes a method and a apparatus for depositing samples by means of laser drive. The patent focuses on the handling of material samples in various fields, such as automated proteomics, genomics, and Another type of biotechnology research. The invention constitutes an alternative method to liquid handling devices, such as pipettes, robotic liquid dispensers, devices "spotting", etc., which allows to reduce the processing of Small sample volumes.
En el estado de la técnica, por tanto, la LIFT ha sido la opción para la impresión con láser de materiales frágiles disueltos o en suspensión. En este caso, la disposición del líquido a transferir en forma de película delgada es esencial. La porción de líquido que se transfiere es determinada por las dimensiones laterales del haz láser, y por el espesor de la capa líquida existente entre la región en que la burbuja se genera y la superficie libre del líquido, la cual se encuentra encarada a la superficie del sustrato receptor.In the state of the art, therefore, the LIFT it has been the option for laser printing of fragile materials dissolved or suspended. In this case, the liquid arrangement To transfer in the form of thin film is essential. The portion of liquid that is transferred is determined by the dimensions side of the laser beam, and by the thickness of the liquid layer existing between the region in which the bubble is generated and the free surface of the liquid, which is facing the receiving substrate surface.
Como esta porción debe ser pequeña, y como en todos los casos se supone que la burbuja se genera en la superficie del líquido distinta de la superficie libre, la única manera de satisfacer ambos requisitos es preparar el líquido en forma de película delgada sobre un soporte transparente a la radiación láser. De esta manera la radiación láser atraviesa el soporte transparente y se absorbe en la superficie del material adyacente a este soporte. Una vez la radiación es absorbida, se genera una burbuja que impulsa una porción del líquido existente entre la burbuja y la superficie libre del líquido hacia el sustrato receptor a imprimir.How this portion should be small, and as in All cases assume that the bubble is generated on the surface of the liquid other than the free surface, the only way to satisfying both requirements is to prepare the liquid in the form of thin film on a transparent support to laser radiation. In this way the laser radiation passes through the transparent support and is absorbed on the surface of the material adjacent to this support. Once the radiation is absorbed, a bubble is generated that drives a portion of the liquid between the bubble and the surface free of the liquid to the receiving substrate to be printed.
Algunos de los inconvenientes asociados con la preparación de la película líquida son la dificultad de obtener un espesor uniforme y la reproducibilidad en el proceso de preparación: las películas líquidas tienden a encoger, incluso si la tensión superficial es baja, y la evaporación es significativa debido a su gran relación superficie-volumen.Some of the inconveniences associated with the Liquid film preparation are the difficulty of obtaining a uniform thickness and reproducibility in the preparation process: liquid films tend to shrink, even if the tension Superficial is low, and evaporation is significant due to its Great surface-volume ratio.
Además, la preparación de la película líquida requiere buena mojabilidad, lo que se consigue normalmente a través de la adición de tensoactivos; no obstante, esto es perjudicial para el depósito de microgotas con diámetros muy pequeños sobre el sustrato receptor. Finalmente, se tiene que considerar que la preparación de la película constituye un paso adicional en todo el proceso de impresión, que no solamente compromete la flexibilidad de la técnica, sino que también incrementa el riesgo de contaminación.In addition, the preparation of the liquid film it requires good wettability, which is usually achieved through of the addition of surfactants; however, this is detrimental to the microdrops container with very small diameters on the receiving substrate Finally, you have to consider that the Film preparation constitutes an additional step throughout the printing process, which not only compromises the flexibility of technique, but also increases the risk of pollution.
El problema que se plantea a partir del estado de la técnica anterior se puede formular entonces como de qué forma se puede establecer una técnica que permita la impresión con láser de líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser sin requerir la previa preparación de una película líquida y sin que exista limitación en el número de veces que el proceso de impresión se puede realizar haciendo incidir el pulso láser en la misma posición del líquido.The problem that arises from the state of the prior art can then be formulated as how a technique that allows laser printing can be established of transparent liquids to, or weakly absorbent of, the laser radiation without requiring the prior preparation of a film liquid and without limitation on the number of times the printing process can be done by affecting the pulse laser in the same position of the liquid.
La presente invención hace posible la impresión de gotas uniformes y bien definidas, con una alta reproducibilidad, permitiendo la impresión desde la misma posición del líquido tantas veces como sea necesario sin reducir la reproducibilidad. En la presente invención, la nueva técnica para la impresión con láser de líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser no requiere la previa preparación de ninguna película: el líquido es directamente imprimido desde el contenedor que lo contiene.The present invention makes printing possible. of uniform and well-defined drops, with high reproducibility, allowing printing from the same liquid position so many times as necessary without reducing reproducibility. In the present invention, the new technique for laser printing of Transparent liquids to, or weakly absorbent from, radiation Laser does not require the prior preparation of any film: the liquid is directly printed from the container that contains
La presente invención se refiere a un aparato para la impresión directa con láser de materiales disueltos o en suspensión en líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser sobre un sustrato receptor, y al método para la impresión directa con láser. Los materiales incluyen tanto materiales inorgánicos como orgánicos, así como células vivas y microorganismos.The present invention relates to an apparatus for direct laser printing of dissolved materials or in suspension in transparent liquids to, or weakly absorbent of, laser radiation on a receiving substrate, and the method for direct laser printing. The materials include both inorganic materials such as organic as well as living cells and microorganisms
El aparato comprende como mínimo medios para la producción de un pulso láser, disponiendo de una fuente de radiación láser y medios ópticos para focalizar fuertemente el haz láser. El aparato también comprende un soporte que contiene un líquido transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser con el material a imprimir disuelto o en suspensión. El soporte del líquido transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser es un contenedor.The apparatus comprises at least means for production of a laser pulse, having a radiation source laser and optical means to strongly focus the laser beam. He apparatus also comprises a support containing a liquid transparent to, or weakly absorbing, laser radiation with the material to be printed dissolved or suspended. The support of transparent liquid to, or weakly absorbent of, radiation Laser is a container.
La superficie del sustrato receptor a imprimir está posicionada de tal forma que el sustrato receptor no está en contacto con el líquido; esta superficie del sustrato receptor está situada paralelamente y encarada a una porción de la superficie libre del líquido. Entre esta superficie libre y la superficie del sustrato receptor a imprimir existe una separación. Para la obtención del motivo impreso, el material a imprimir es transferido cuando una porción del líquido es impulsada desde el líquido contenido en el contenedor hacia el sustrato receptor.The surface of the receiving substrate to be printed is positioned such that the receiving substrate is not in contact with the liquid; this surface of the receiving substrate is located parallel and facing a portion of the surface free of liquid. Between this free surface and the surface of the receiving substrate to be printed there is a separation. For the obtaining the printed motif, the material to be printed is transferred when a portion of the liquid is driven from the liquid content in the container towards the receiving substrate.
Los medios ópticos focalizan el haz láser en un punto situado dentro del líquido a corta distancia de la superficie correspondiente a la porción de la superficie libre del líquido y lejos de cualquier pared del contenedor de líquido. Este punto es, de hecho, un volumen minúsculo, el volumen focal. Entre este volumen focal y la porción de la superficie libre del líquido se encuentra una porción de líquido que es la porción de material a impulsar hacia la superficie del sustrato receptor a imprimir encarada a la porción de la superficie libre del líquido.The optical media focus the laser beam on a point located within the liquid a short distance from the surface corresponding to the portion of the free surface of the liquid and away from any wall of the liquid container. This point is, in fact, a tiny volume, the focal volume. Enter this volume focal and the free surface portion of the liquid is a portion of liquid that is the portion of material to be propelled towards the surface of the receiving substrate to be printed facing the portion of the free surface of the liquid.
Los medios para la producción del haz láser del dispositivo de acuerdo con la invención están configurados de tal manera que las condiciones de emisión y focalización del haz láser inducen la absorción de la energía del pulso láser principalmente en el volumen focal. Para que tenga lugar esta absorción localizada del pulso láser se requiere una fuerte focalización del haz láser. Si el haz láser está fuertemente focalizado, su intensidad (energía por unidad de área y unidad de tiempo) aumenta rápidamente en profundidad, siendo máxima en el volumen focal, y cuanto mayor es la intensidad, mayor es la energía láser absorbida por unidad de volumen. La energía absorbida del pulso láser en el volumen focal debe ser suficiente para superar el umbral de densidad de energía para la generación de una burbuja. En estas condiciones, la burbuja es generada sólo en el volumen focal, y no en el resto del trayecto del haz láser en el interior del líquido, pues en este trayecto la sección del haz es mayor y la intensidad menor.The means for the production of the laser beam of device according to the invention are configured such so that the emission and focusing conditions of the laser beam induce the absorption of laser pulse energy mainly in the focal volume For this localized absorption of the Laser pulse requires strong focusing of the laser beam. If he laser beam is strongly focused, its intensity (energy per unit of area and unit of time) increases rapidly by depth, being maximum in the focal volume, and the greater the intensity, the higher the laser energy absorbed per unit of volume. The absorbed energy of the laser pulse in the focal volume must be sufficient to exceed the energy density threshold for the generation of a bubble. Under these conditions, the bubble it is generated only in the focal volume, and not in the rest of the path of the laser beam inside the liquid, because in this path the Beam section is greater and intensity less.
A lo largo del documento, cuando se mencione "fuerte focalización" se debe interpretar que la alta absorción de energía se produce en el volumen focal dentro del líquido, y no en el resto del trayecto del haz láser en el líquido, entendiéndose por "alta absorción de energía" aquélla para la cual la energía absorbida es suficientemente elevada para superar el umbral de densidad de energía para la generación de una burbuja de vapor en el interior del líquido. La burbuja generada causa la impulsión de la porción de líquido situada entre el volumen focal y la porción de la superficie libre del líquido. Esta porción de líquido es impulsada hacia la superficie del sustrato receptor a imprimir. Para que esta porción de líquido sea muy pequeña, se requiere que el punto focal sea muy poco profundo.Throughout the document, when mentioned "strong targeting" should be interpreted as high absorption of energy is produced in the focal volume within the liquid, and not in the rest of the path of the laser beam in the liquid, being understood by "high energy absorption" that for which the energy absorbed is high enough to exceed the threshold of energy density for the generation of a vapor bubble in the liquid inside. The generated bubble causes the drive of the portion of liquid located between the focal volume and the portion of the liquid free surface. This portion of liquid is driven towards the surface of the receiving substrate to be printed. By what is portion of liquid is very small, the focal point is required Be too shallow.
Las condiciones de impresión adecuadas dependen del tipo de líquido, del material a imprimir y de la radiación láser, así como de factores ambientales. Una vez se han determinado estas condiciones, los medios para la producción del haz láser pueden ser ajustados para operar de tal forma que la alta absorción de energía se produzca en un volumen muy pequeño alrededor del punto focal situado dentro del líquido a poca profundidad.The appropriate printing conditions depend the type of liquid, the material to be printed and the radiation laser, as well as environmental factors. Once they have been determined These conditions, the means for the production of the laser beam They can be adjusted to operate in such a way that high absorption of energy is produced in a very small volume around the point focal located inside the liquid at shallow depth.
La generación de un volumen de absorción muy pequeño, entendido éste como el volumen donde tiene lugar la alta absorción de energía, es favorecida si la absorción de energía se produce de forma no-lineal. Se puede conseguir la absorción no-lineal mediante el uso de pulsos láser cortos adicionalmente a la fuerte focalización.The generation of a very high absorption volume small, understood as the volume where the high takes place energy absorption is favored if energy absorption is produces non-linearly. You can get the non-linear absorption through the use of laser pulses short in addition to the strong focus.
La pequeña porción de líquido impulsada es parte del líquido que se encuentra en un contenedor, y no en una película delgada; en consecuencia, el proceso puede ser repetido tantas veces como sea necesario, haciendo incidir el pulso láser en la misma posición, gracias a que la porción de líquido transferida es espontáneamente restituida después de cada pulso láser.The small portion of liquid driven is part of the liquid that is in a container, and not in a film thin; consequently, the process can be repeated so many times as necessary, by affecting the laser pulse in it position, because the portion of liquid transferred is spontaneously restored after each laser pulse.
Un primer aspecto de la invención es el dispositivo para la impresión con láser de acuerdo con la reivindicación independiente 1 y se incluye en esta descripción por referencia. Todos los modos de realización del dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones dependientes 2 a 9 también se incluyen por referencia en esta descripción.A first aspect of the invention is the device for laser printing according to the independent claim 1 and is included in this description by reference. All embodiments of the device according to dependent claims 2 to 9 also Include by reference in this description.
Un segundo aspecto de la invención es el método de impresión con láser de acuerdo con la reivindicación independiente 10 y se incluye en esta descripción por referencia. Todos los modos de realización del método de acuerdo con las reivindicaciones dependientes 11 a 20 también se incluyen por referencia en esta descripción.A second aspect of the invention is the method. laser printing according to claim independent 10 and is included in this description by reference. All embodiments of the method according to the Dependent claims 11 to 20 are also included by Reference in this description.
El dispositivo y el método de la invención se describen en detalle más adelante en la descripción detallada de los modos de realización.The device and the method of the invention are described in detail later in the detailed description of the embodiments.
La Figura 1a muestra el esquema de un modo de realización de un dispositivo de LIFT donde la radiación láser es absorbida en la superficie de una película de un material absorbente, tal como ha sido considerado en el estado de la técnica anterior. El soporte de la película es transparente a la radiación láser.Figure 1a shows the scheme of a mode of realization of a LIFT device where laser radiation is absorbed on the surface of a film of a material absorbent, as has been considered in the state of the art previous. The film support is transparent to radiation To be.
La Figura 1b muestra el esquema de un modo de realización de un dispositivo de LIFT donde la radiación láser es absorbida en la superficie de una capa absorbente para transferir el material de una película transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser, tal como ha sido considerado en el estado de la técnica anterior. El soporte de la capa absorbente es transparente a la radiación láser.Figure 1b shows the scheme of a mode of realization of a LIFT device where laser radiation is absorbed on the surface of an absorbent layer to transfer the material of a transparent film to, or weakly absorbent of, laser radiation, as it has been considered in the state of the prior art The absorbent layer support is transparent to laser radiation
Las Figuras 2a y 2b muestran el esquema de dos haces láser, sin y con focalización.Figures 2a and 2b show the scheme of two laser beams, without and with focus.
La Figura 3a muestra el esquema de un contenedor que contiene un líquido transparente, y un haz láser fuertemente focalizado e incidente en el líquido bajo las condiciones de la presente invención.Figure 3a shows the outline of a container which contains a transparent liquid, and a strongly laser beam focused and incident on the liquid under the conditions of the present invention
La Figura 3b muestra el esquema de un primer modo de realización de la invención donde el receptor transparente a imprimir se encuentra situado sobre un contenedor de líquido que contiene un líquido transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser. Un haz láser atraviesa el receptor e incide sobre la porción de la superficie libre del líquido, estando fuertemente focalizado dentro del líquido en un punto poco profundo.Figure 3b shows the scheme of a first embodiment of the invention where the transparent receiver a print is located on a liquid container that it contains a transparent liquid to, or weakly absorbent of, the laser radiation A laser beam passes through the receiver and affects the portion of the free surface of the liquid, being strongly focused inside the liquid at a shallow point.
La Figura 3c muestra el esquema del primer modo de realización que comprende una cámara adicional de visionado que enfoca la superficie del sustrato receptor a imprimir.Figure 3c shows the scheme of the first mode of embodiment comprising an additional viewing camera that focuses the surface of the receiving substrate to be printed.
La Figura 4 muestra el esquema de un segundo modo de realización de la invención donde el contenedor de líquido es transparente y el haz láser incide sobre el líquido desde la base del contenedor de líquido. El haz láser está fuertemente focalizado en un punto próximo a la porción de la superficie libre del líquido.Figure 4 shows the scheme of a second embodiment of the invention where the liquid container It is transparent and the laser beam strikes the liquid from the base of the liquid container. The laser beam is strongly focused at a point close to the free surface portion of the liquid.
Las Figuras 5 y 6 muestran los esquemas de un tercer y un cuarto modos de realización de la invención donde la porción de la superficie libre del líquido próxima al volumen focal del haz láser está en un orificio en la base del contenedor de líquido transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser.Figures 5 and 6 show the schematics of a third and fourth embodiments of the invention where the portion of the free surface of the liquid near the focal volume of the laser beam is in a hole in the base of the container transparent liquid to, or weakly absorbent of, radiation To be.
La Figura 7 muestra el esquema de un quinto modo de realización de la invención donde el haz láser está dividido en dos haces láser que son focalizados en el mismo volumen focal con el fin de obtener una muy fuerte focalización.Figure 7 shows the scheme in a fifth way of embodiment of the invention where the laser beam is divided into two laser beams that are focused on the same focal volume with the in order to obtain a very strong focus.
La Figura 8 muestra un "microarray" imprimido sobre un sustrato receptor utilizando diferentes profundidades del volumen focal dentro del líquido bajo determinadas condiciones del haz láser y para un determinado material.Figure 8 shows a "microarray" printed on a receiving substrate using different depths of the focal volume within the liquid under certain conditions of the laser beam and for a certain material.
Las Figuras 9, 10 y 11 muestran diferentes "microarrays" imprimido sobre sustratos receptores bajo determinadas condiciones del haz láser y para determinados materiales.Figures 9, 10 and 11 show different "microarrays" printed on low receiving substrates certain conditions of the laser beam and for certain materials.
La Figura 1a muestra el esquema de un dispositivo experimental de la LIFT para transferir un material absorbente de la radiación del láser tal y como ha sido considerada en el estado de la técnica anterior anterior. Un haz láser (B) producido por unos medios para la producción de un haz láser (3) incide sobre una superficie de una película delgada de un material (M) a través de su soporte transparente (S), y es absorbido en una porción (A) de esta superficie, originando la eyección de material (5), el cual es depositado sobre un sustrato receptor (4). Las flechas indican el desplazamiento solidario del sistema formado por el soporte transparente (S) recubierto con la película delgada de material (M) y el sustrato receptor (4).Figure 1a shows the scheme of a experimental device of the LIFT to transfer a material laser radiation absorber as it has been considered in the prior art prior art. A laser beam (B) produced by means for the production of a laser beam (3) strikes a surface of a thin film of a material (M) through its transparent support (S), and is absorbed into a portion (A) of this surface, causing the ejection of material (5), which is deposited on a receiving substrate (4). The arrows indicate the solidarity movement of the system formed by the transparent support (S) coated with the thin film of material (M) and the receiving substrate (4).
La Figura 1b muestra el esquema de un dispositivo experimental de la LIFT para transferir un material transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación del láser tal y como ha sido considerada en el estado de la técnica anterior. Un haz láser (B) producido por unos medios para la producción de un haz láser (3) incide sobre la superficie de una capa absorbente (L) a través de su soporte transparente (S), y es absorbido en una porción (A) de la capa absorbente (L). Esto da lugar a la eyección de una porción de una película delgada de material (M), película delgada que recubre la capa absorbente (L). El material eyectado (5) es depositado sobre el sustrato receptor (4). Las flechas indican el desplazamiento solidario del sistema formado por el soporte transparente (S) recubierto con la capa (L) más la película delgada de material (M) y el sustrato receptor (4).Figure 1b shows the scheme of a experimental device of the LIFT to transfer a material transparent to, or weakly absorbent of, laser radiation as it has been considered in the prior art. A laser beam (B) produced by means for the production of a laser beam (3) strikes the surface of an absorbent layer (L) through its transparent support (S), and is absorbed into a portion (A) of the absorbent layer (L). This results in ejection. of a portion of a thin film of material (M), film thin covering the absorbent layer (L). The ejected material (5) It is deposited on the receiving substrate (4). The arrows indicate the solidarity movement of the system formed by the support transparent (S) coated with layer (L) plus thin film of material (M) and the receiving substrate (4).
Las Figuras 2a y 2b presentan esquemas de dos configuraciones de un haz láser (B) con el fin de ayudar a comprender el funcionamiento de la invención.Figures 2a and 2b present schematics of two configurations of a laser beam (B) in order to help Understand the operation of the invention.
Si el haz láser (B) no está focalizado (Figura 2a), el área de cada sección transversal del haz láser es constante, A_{2}=A_{1}, y por consiguiente la intensidad del haz láser (energía por unidad de área y unidad de tiempo) es constante I_{2}=I_{1}.If the laser beam (B) is not focused (Figure 2a), the area of each cross section of the laser beam is constant, A_ {2} = A_ {1}, and therefore the intensity of the laser beam (energy per unit area and time unit) is constant I_ {2} = I_ {1}.
Si el haz láser (B) está focalizado (Figura 2b), el área de su sección transversal decrece al acercarse al punto focal A_{2}<A_{1}, y por consiguiente la intensidad del haz láser aumenta I_{2}>I_{1}.If the laser beam (B) is focused (Figure 2b), the area of its cross section decreases when approaching the point focal A_ {2} <A_ {1}, and therefore the beam intensity laser increases I 2> I 1.
En esta invención el haz láser (B) está fuertemente focalizado como se muestra en la Figura 3a, de manera que la intensidad del haz es baja cuando el haz láser (B) incide en la superficie (destacada por medio de una línea discontinua gruesa), pero es alta en el minúsculo volumen focal (A). Si esta intensidad es suficientemente alta, la energía absorbida por unidad de volumen alcanza el umbral necesario para generar una burbuja en el líquido (2). En este caso, el umbral es alcanzado en el volumen focal (A) bajo la superficie, y no en la superficie como ocurre en el estado de la técnica anterior.In this invention the laser beam (B) is strongly focused as shown in Figure 3a, so that the intensity of the beam is low when the laser beam (B) affects the surface (highlighted by a thick dashed line), but it is high in the tiny focal volume (A). If this intensity is sufficiently high, the energy absorbed per unit volume reaches the threshold necessary to generate a bubble in the liquid (2). In this case, the threshold is reached in the focal volume (A) under the surface, and not on the surface as in the state of the prior art.
El umbral de la energía absorbida por unidad de volumen para generar una burbuja depende de parámetros como la longitud de onda y la duración del pulso láser (B), la composición del líquido (2) o la temperatura, entre otros.The threshold of absorbed energy per unit of volume to generate a bubble depends on parameters such as the wavelength and duration of the laser pulse (B), the composition of the liquid (2) or the temperature, among others.
La burbuja generada en el volumen focal (A) proyecta una porción de líquido (2), que es la porción de líquido (2) localizada entre la burbuja y la porción de la superficie libre del líquido (2). La proyección de líquido (2) puede ser originada ya sea directamente por la impulsión proporcionada por la expansión de la burbuja, ya sea por medio del chorro de líquido (2) resultante de los procesos de expansión y colapso de la burbuja.The bubble generated in the focal volume (A) projects a portion of liquid (2), which is the portion of liquid (2) located between the bubble and the free surface portion of the liquid (2). The liquid projection (2) can already be originated be directly by the drive provided by the expansion of the bubble, either by means of the liquid jet (2) resulting from the processes of expansion and collapse of the bubble.
La Figura 3b muestra el esquema de un modo de realización donde el haz láser (B) está focalizado en el líquido (2) en un volumen focal (A) minúsculo situado a una profundidad d desde la porción de la superficie libre del líquido. El haz láser (B) está fuertemente focalizado con el fin de producir la alta absorción de energía dentro del líquido (2) y no en la superficie libre, de acuerdo con las condiciones descritas para la Figura 3a. Los medios de producción del haz láser (3) tienen una fuente (3.1) del haz láser (B) y medios ópticos (3.2) para focalizar fuertemente el haz láser (B). Si se coloca un expansor de haz láser entre la fuente (3.1) del haz láser (B) para la emisión del haz láser (B) y los medios ópticos (3.2) para focalizar el haz láser (B) se alcanza una focalización mayor.Figure 3b shows the scheme of an embodiment where the laser beam (B) is focused on the liquid (2) in a tiny focal volume (A) located at a depth d from the free surface portion of the liquid. The laser beam (B) is strongly focused in order to produce high energy absorption within the liquid (2) and not on the free surface, in accordance with the conditions described for Figure 3a. The means of production of the laser beam (3) have a source (3.1) of the laser beam (B) and optical means (3.2) to strongly focus the laser beam (B). If a laser beam expander is placed between the source (3.1) of the laser beam (B) for the emission of the laser beam (B) and the optical means (3.2) to focus the laser beam (B) a greater focus is achieved.
La técnica de impresión de la presente invención es un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 y operando de acuerdo con el método de la reivindicación 10, que actúa sobre un líquido (2) transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser por medio de un haz láser (B) fuertemente focalizado, de tal manera que se produzca una alta absorción de energía en el volumen focal (A) dentro del líquido. El haz láser (B) proviene de la fuente (3.1) del haz láser y es fuertemente focalizado por los medios ópticos (3.2) debajo de la porción de superficie libre del líquido (2), a una pequeña profundidad d, de la manera esquematizada en la Figura 3b.The printing technique of the present invention is an apparatus according to claim 1 and operating according to the method of claim 10, which acts on a liquid (2) transparent to, or weakly absorbing, the laser radiation by means of a strongly focused laser beam (B), such that high energy absorption occurs in the focal volume (A) within the liquid. The laser beam (B) comes from the source (3.1) of the laser beam and is strongly focused by the optical means (3.2) below the free surface portion of the liquid (2), at a small depth d , in the schematized manner in Figure 3b.
La alta absorción de energía en la subsuperficie se produce bajo condiciones de fuerte focalización pero este efecto puede ser altamente favorecido si la absorción de energía ocurre bajo condiciones no lineales que pueden alcanzarse por ejemplo mediante el uso de pulsos láser cortos combinados con la fuerte focalización.The high energy absorption in the subsurface It occurs under conditions of strong targeting but this effect can be highly favored if energy absorption occurs under non-linear conditions that can be achieved for example by using short laser pulses combined with the strong targeting
La alta absorción de energía localizada en el volumen focal (A) conduce a la eyección de una porción de líquido (2): en este caso, la capa de líquido (2) de espesor d adyacente a la porción de superficie libre del líquido juega un papel similar al de la película líquida en el estado de la técnica anterior de la LIFT. En contraste con la LIFT, en el modo de realización de la presente invención el material es proyectado hacia atrás, y el sustrato receptor (4) está situado encima de la porción de superficie libre del líquido (2). Además, el sustrato receptor (4) a imprimir debe ser transparente a la radiación láser, lo cual suele ser el caso en muchas aplicaciones, como por ejemplo la fabricación de biosensores.The high energy absorption located in the focal volume (A) leads to the ejection of a portion of liquid (2): in this case, the liquid layer (2) of thickness d adjacent to the free surface portion of the liquid plays a role similar to that of the liquid film in the prior art state of the LIFT. In contrast to the LIFT, in the embodiment of the present invention the material is projected backwards, and the receiving substrate (4) is located above the free surface portion of the liquid (2). In addition, the receiving substrate (4) to be printed must be transparent to laser radiation, which is often the case in many applications, such as the manufacture of biosensors.
La porción de líquido (2) eyectada se deposita sobre el sustrato receptor (4) colocado paralelo a y cerca de, pero no en contacto con, la porción de superficie libre del líquido (2), y forma una microgota del material impreso (5).The ejected liquid portion (2) is deposited on the receiving substrate (4) placed parallel to and near, but not in contact with, the free surface portion of the liquid (2), and forms a micro drop of the printed material (5).
Los medios de sujeción (no mostrados en las figuras) del sustrato receptor (4) son tales que la separación entre el sustrato receptor (4) y la porción de superficie libre del líquido (2) puede ser controlada con precisión.The fastening means (not shown in the figures) of the receiving substrate (4) are such that the separation between the receiving substrate (4) and the free surface portion of the Liquid (2) can be precisely controlled.
La escritura de los motivos del material impreso (5) tiene lugar por medio del desplazamiento del sustrato receptor (4) con respecto al haz láser (B), manteniéndose el contenedor (1) del líquido estacionario durante el proceso de impresión. Este desplazamiento del sustrato receptor (4) puede ser controlado por ordenador, y en este caso el desplazamiento debe estar sincronizado con el disparo de los pulsos láser de la fuente (3.1) del haz láser (B).The writing of the motifs of the printed material (5) takes place through the displacement of the receiving substrate (4) with respect to the laser beam (B), keeping the container (1) of the stationary liquid during the printing process. This displacement of the receiving substrate (4) can be controlled by computer, and in this case the scrolling must be synchronized with the firing of the laser pulses from the source (3.1) of the laser beam (B).
Además, como se muestra en la Figura 3c, el depósito de material (5) sobre el sustrato receptor (4) puede ser controlado in-situ por medio de una cámara CCD (6) situada encima de los medios ópticos (3.2). Entre la cámara CCD (6) y los medios ópticos, debe intercalarse un espejo reflector y transmisor (7) para desviar el haz láser (B) generado por la fuente (3.1) del haz láser (B). El control in-situ permite ajustar la profundidad d del volumen focal (A) para la cual se obtiene la adecuada morfología del material depositado (5) sobre el sustrato receptor (4).Furthermore, as shown in Figure 3c, the deposit of material (5) on the receiving substrate (4) can be controlled in situ by means of a CCD camera (6) located above the optical means (3.2). Between the CCD camera (6) and the optical media, a reflector and transmitter mirror (7) must be inserted to deflect the laser beam (B) generated by the source (3.1) of the laser beam (B). The in-situ control allows to adjust the depth d of the focal volume (A) for which the adequate morphology of the deposited material (5) on the receiving substrate (4) is obtained.
La Figura 4 muestra un segundo modo de realización donde el contenedor de líquido (1) es transparente. Los medios de producción (3) del haz láser son tales que el haz láser (B) atraviesa la pared de la base del contenedor de líquido (1) y se focaliza en un volumen focal (A) minúsculo cerca de la porción de superficie libre del líquido (2). La energía del pulso láser es altamente absorbida cerca de esta porción de superficie libre conduciendo a la eyección de una porción de líquido (2) que es depositada sobre el sustrato receptor (4) colocado paralelo a y cerca de, pero no en contacto con, la porción de superficie libre del líquido (2), y forma una microgota de material impreso (5).Figure 4 shows a second mode of embodiment where the liquid container (1) is transparent. The Production means (3) of the laser beam are such that the laser beam (B) crosses the base wall of the liquid container (1) and is focuses on a tiny focal volume (A) near the portion of liquid free surface (2). The energy of the laser pulse is highly absorbed near this free surface portion leading to ejection of a portion of liquid (2) that is deposited on the receiving substrate (4) placed parallel to and near, but not in contact with, the free surface portion of the liquid (2), and forms a micro drop of printed material (5).
Los medios de sujeción (no mostrados en las figuras) del sustrato receptor (4) son tales que la separación entre el sustrato receptor (4) y la porción de superficie libre del líquido (2) puede ser controlada con precisión.The fastening means (not shown in the figures) of the receiving substrate (4) are such that the separation between the receiving substrate (4) and the free surface portion of the Liquid (2) can be precisely controlled.
Este modo de realización es aplicable a sustratos receptores (4) tanto transparentes como no transparentes porque el haz láser (B) no atraviesa el sustrato receptor (4). En el caso que el sustrato receptor (4) sea transparente, el depósito de material (5) puede ser controlado in-situ por medio de una cámara CCD (6) acoplada a un objetivo de microscopio (8) situados encima del sustrato receptor (4). Como en el anterior modo de realización, el control in-situ permite el ajuste de la profundidad d del volumen focal (A) para la cual se obtiene la adecuada morfología del material depositado (5) sobre el sustrato receptor (4).This embodiment is applicable to both transparent and non-transparent receiving substrates (4) because the laser beam (B) does not pass through the receiving substrate (4). In the event that the receiving substrate (4) is transparent, the material deposit (5) can be controlled in situ by means of a CCD camera (6) coupled to a microscope objective (8) located above the receiving substrate ( 4). As in the previous embodiment, the in-situ control allows the adjustment of the depth d of the focal volume (A) for which the adequate morphology of the deposited material (5) on the receiving substrate (4) is obtained.
La Figura 5 muestra un tercer modo de realización similar a los esquematizados en las Figuras 3b y 3c, donde la porción de la superficie libre del líquido cerca del volumen focal (A) donde el haz láser (B) es focalizado está en un pequeño orificio (1.1) de la pared de la base del contenedor (1) del líquido. Esta porción de superficie libre está representada por una fina línea continua. El líquido (2) es retenido en el contenedor (1) a causa de la tensión superficial del líquido.Figure 5 shows a third mode of similar embodiment to those outlined in Figures 3b and 3c, where the portion of the free surface of the liquid near the focal volume (A) where the laser beam (B) is focused is in a small hole (1.1) of the container base wall (1) of the liquid. This free surface portion is represented by a thin continuous line. The liquid (2) is retained in the container (1) because of the surface tension of the liquid.
Los medios de producción (3) del haz láser son tales que el haz láser (B) penetra en el líquido a través del pequeño orificio (1.1). El sustrato receptor (4) está colocado cerca de la base del contenedor (1) del líquido. El haz láser (B) atraviesa el sustrato receptor (4) y la porción de superficie libre del líquido (2) en el orificio (1.1), y es focalizado en el volumen focal (A) por encima de esta porción de superficie libre. La porción de líquido (2) eyectada es depositada sobre la superficie superior del sustrato receptor (4) y forma el material impreso (5).The means of production (3) of the laser beam are such that the laser beam (B) penetrates the liquid through the small hole (1.1). The receiving substrate (4) is placed near from the base of the container (1) of the liquid. The laser beam (B) crosses the receiving substrate (4) and the free surface portion of the liquid (2) in the hole (1.1), and is focused on the volume focal (A) above this free surface portion. Serving of ejected liquid (2) is deposited on the upper surface of the receiving substrate (4) and forms the printed material (5).
La Figura 6 muestra un cuarto modo de realización donde el contenedor (1) de líquido tiene un pequeño orificio (1.1) en su base similar al del modo de realización anterior, pero con una configuración equivalente a la del segundo modo de realización esquematizado en la Figura 4. Los medios de producción (3) del haz láser son tales que el haz láser incide sobre la superficie libre superior del líquido (2), y el sustrato receptor (4) está colocado debajo del contenedor (1) del líquido y cerca de la base de este contenedor (1) de líquido. El haz láser (B) atraviesa el líquido (2) y es focalizado por encima de la porción de superficie libre del líquido (2) en el orificio (1.1). La porción de líquido (2) eyectada es depositada en la superficie superior del sustrato receptor (4) y forma el material impreso (5).Figure 6 shows a fourth mode of embodiment where the liquid container (1) has a small hole (1.1) at its base similar to that of the embodiment previous, but with a configuration equivalent to that of the second embodiment outlined in Figure 4. The means of Production (3) of the laser beam are such that the laser beam affects the upper free surface of the liquid (2), and the receiving substrate (4) is placed under the container (1) of the liquid and near the base of this container (1) of liquid. The laser beam (B) it passes through the liquid (2) and is focused above the portion of liquid free surface (2) in the hole (1.1). The portion of ejected liquid (2) is deposited on the upper surface of the receiving substrate (4) and forms the printed material (5).
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La Figura 7 muestra un quinto modo de realización donde un haz láser (B) generado por una fuente (3.1) del haz láser (B) es dividido en dos haces láser (B.1 y B.2) por medio de un divisor de haz láser (3.3), y estos dos haces láser (B.1 y B.2) son reflejados por dos espejos (3.4) y focalizados simultáneamente por dos medios ópticos (3.2) en el mismo volumen focal (A). En este caso, puede alcanzarse una focalización todavía mayor en el volumen focal (A) con sólo una única fuente láser (3.1).Figure 7 shows a fifth mode of embodiment where a laser beam (B) generated by a source (3.1) of the laser beam (B) is divided into two laser beams (B.1 and B.2) by means of a laser beam splitter (3.3), and these two laser beams (B.1 and B.2) are reflected by two mirrors (3.4) and focused simultaneously by two optical means (3.2) in the same volume focal (A). In this case, targeting can still be achieved. higher in focal volume (A) with only a single laser source (3.1).
Todas las figuras son representaciones esquemáticas y no se han usado escalas reales, sólo pretenden servir de ayuda para las explicaciones de los modos de realización.All figures are representations schematic and no actual scales have been used, they just pretend to serve of help for explanations of the embodiments.
Habiendo descrito algunos modos de realización de la invención, se proporcionan los siguientes experimentos para ilustrar la viabilidad de la invención.Having described some embodiments of the invention, the following experiments are provided for illustrate the feasibility of the invention.
El primer experimento ha sido llevado a cabo de acuerdo con el primer modo de realización esquematizado en la Figura 3c, y utilizando un láser de iterbio bombeado por diodos (1025 nm de longitud de onda, 450 fs de duración de pulso, 1 kHz de frecuencia de repetición) como fuente láser (3.1). El haz láser proveniente de esta fuente (3.1) ha sido focalizado por medio de medios ópticos (3.2) y también utilizando un espejo (7). Los medios ópticos (3.2) han comprendido un objetivo de microscopio con una larga distancia de trabajo de 1 cm. El sustrato receptor (4) empleado ha sido un portaobjetos de microscopio comercial de vidrio recubierto con poli-L-lisina, y se ha colocado sobre un posicionador de translación xyz controlado por ordenador, cuyo desplazamiento ha sido sincronizado con el disparo de los pulsos láser. El contenedor (1) de líquido ha sido un contenedor plástico cilíndrico de 100 \muL, sujetado en un posicionador de translación z independiente.The first experiment has been carried out in accordance with the first embodiment schematized in Figure 3c, and using a diode laser pumped by diodes (1025 nm wavelength, 450 fs pulse duration, 1 kHz frequency repetition) as a laser source (3.1). The laser beam from this source (3.1) has been focused by means of optical means (3.2) and also using a mirror (7). The optical means (3.2) have included a microscope objective with a long working distance of 1 cm. The receiving substrate (4) used has been a commercial microscope glass slide coated with poly-L-lysine, and has been placed on a computer-controlled xyz translation positioner, whose displacement has been synchronized with the firing of the laser pulses . The liquid container (1) has been a 100 µL cylindrical plastic container, held in an independent z- positioner.
En este experimento, una disolución de líquido (2) que consiste en una mezcla de agua y glicerol al 20% (v/v) ha sido utilizada para probar la viabilidad de la técnica propuesta para la impresión de microgotas. Un "microarray" ha sido preparado variando la profundidad de focalización d dentro del líquido (2) por medio del desplazamiento hacia arriba del contenedor (1). La separación inicial entre la superficie libre del líquido (2) y el sustrato receptor (4) a imprimir ha sido de alrededor de 500 \mum, y la energía de pulso láser de 2 \muJ. Una cámara CCD (6) enfocada en la superficie del sustrato receptor (4) ha permitido observar el material depositado (5) y controlar la profundidad d óptima. El resultado del experimento se muestra en la Figura 8. Cada fila del material depositado (5) sobre el sustrato receptor (4) corresponde a una profundidad d diferente.In this experiment, a solution of liquid (2) consisting of a mixture of water and glycerol at 20% (v / v) has been used to test the feasibility of the proposed technique for printing microdroplets. A "microarray" has been prepared by varying the depth of focus d within the liquid (2) by means of the upward movement of the container (1). The initial separation between the free surface of the liquid (2) and the receiving substrate (4) to be printed has been about 500 µm, and the laser pulse energy of 2 µJ. A CCD camera (6) focused on the surface of the receiving substrate (4) has allowed observing the deposited material (5) and controlling the optimum depth d . The result of the experiment is shown in Figure 8. Each row of the deposited material (5) on the receiving substrate (4) corresponds to a different depth d .
El "microarray" obtenido, representado en la Figura 8, demuestra que existe un intervalo de profundidades de focalización d para las cuales hay depósito de material líquido (5). Este intervalo se extiende hasta una profundidad d = 45 \mum. Por debajo de esta profundidad no se deposita material sobre el sustrato receptor (4). La cantidad y morfología del material depositado (5) depende de la posición relativa del volumen focal (A) con respecto a la superficie libre del líquido (2). Para profundidades de hasta 35 \mum, se obtienen microgotas irregulares y desalineadas, con varios satélites. Estas morfologías son inaceptables para aplicaciones de impresión. Sin embargo, para un intervalo de 10 \mum de profundidad alrededor de 40 \mum, se consigue el depósito de microgotas bien definidas, circulares, uniformes y sin satélites. Esta morfología es adecuada para aplicaciones de impresión. Este experimento no sólo prueba la viabilidad de la invención para la impresión directa con láser de líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser, sino que también ilustra la importancia de focalizar fuertemente en la posición adecuada dentro del líquido a poca profundidad.The "microarray" obtained, represented in Figure 8, demonstrates that there is a range of depths of focusing d for which there is a deposit of liquid material (5). This interval extends to a depth d = 45 µm. Below this depth, no material is deposited on the receiving substrate (4). The quantity and morphology of the deposited material (5) depends on the relative position of the focal volume (A) with respect to the free surface of the liquid (2). For depths of up to 35 µm, irregular and misaligned microdrops are obtained, with several satellites. These morphologies are unacceptable for printing applications. However, for a range of 10 µm depth around 40 µm, the deposit of well-defined, circular, uniform and satellite-free microdroplets is achieved. This morphology is suitable for printing applications. This experiment not only proves the feasibility of the invention for direct laser printing of transparent liquids to, or weakly absorbent, laser radiation, but also illustrates the importance of focusing strongly on the proper position within the shallow liquid.
En el segundo experimento, llevado a cabo utilizando el sistema y la disolución líquida correspondientes al primer experimento, se demuestra la reproducibilidad de la técnica para la impresión de microgotas por medio de la preparación de un gran "microarray" (15 filas por 50 columnas) en las condiciones descritas más arriba para las cuales se obtienen microgotas circulares. El "microarray" se muestra en la Figura 9. Se puede observar que todas las microgotas son uniformes, con un contorno circular bien definido, y presentan un diámetro de unas 40 \mum. Una reproducibilidad tan alta demuestra que la técnica permite superar los inconvenientes asociados con la falta de uniformidad y estabilidad de la capa líquida inherentes a la LIFT.In the second experiment, carried out using the system and liquid solution corresponding to First experiment, the reproducibility of the technique is demonstrated for printing microdrops by preparing a large "microarray" (15 rows by 50 columns) in the conditions described above for which microdroplets are obtained Circular The "microarray" is shown in Figure 9. It can be note that all microdrops are uniform, with an outline circular well defined, and have a diameter of about 40 µm. Such high reproducibility demonstrates that the technique allows overcome the inconveniences associated with the lack of uniformity and stability of the liquid layer inherent in the LIFT.
En el tercer experimento, llevado a cabo usando el sistema y la disolución líquida correspondientes al primer y segundo experimentos, se demuestra que la presente invención permite obtener microgotas muy pequeñas. El control in-situ del proceso de depósito por medio de una cámara CCD (6) facilita encontrar las condiciones adecuadas de impresión por medio del ajuste simultáneo tanto de la energía del pulso como de la profundidad de focalización d. Así, las microgotas muy pequeñas se obtienen fácilmente, tal y como se ilustra en la Figura 10, donde se presentan microgotas con diámetros tan pequeños como 5 \mum, que corresponden a volúmenes de microgota inferiores a 30 fL; alcanzar el mismo resultado mediante LIFT requeriría la preparación de una película muy delgada de líquido, lo cual es siempre problemático.In the third experiment, carried out using the system and the liquid solution corresponding to the first and second experiments, it is demonstrated that the present invention allows to obtain very small microdroplets. On -site control of the deposition process by means of a CCD camera (6) facilitates finding the appropriate printing conditions by simultaneously adjusting both the pulse energy and the focusing depth d . Thus, very small microdroplets are easily obtained, as illustrated in Figure 10, where microdroplets with diameters as small as 5 µm are presented, corresponding to microdroplet volumes less than 30 fL; achieving the same result through LIFT would require the preparation of a very thin film of liquid, which is always problematic.
El cuarto experimento ha sido llevado a cabo de acuerdo con el segundo modo de realización esquematizado en la Figura 4, y utilizando un láser de iterbio bombeado por diodos (1025 nm de longitud de onda, 450 fs de duración de pulso, 1 kHz de frecuencia de repetición) como fuente láser (3.1). La radiación láser proveniente de esta fuente (3.1) ha sido focalizada por medios ópticos (3.2) a través de un contenedor (1) de líquido transparente, que ha consistido en un contenedor cilíndrico de plástico de 100 \muL, soportado en un posicionador de translación z. Los medios ópticos (3.2) han comprendido un objetivo de microscopio que tiene una larga distancia de trabajo de 1 cm. El sustrato receptor (4) empleado ha sido un portaobjetos de microscopio comercial de vidrio recubierto con poli-L-lisina, y se ha colocado sobre un posicionador de translación xyz controlado por ordenador, cuyo desplazamiento ha sido sincronizado con el disparo de los pulsos láser.The fourth experiment has been carried out in accordance with the second embodiment outlined in Figure 4, and using a diode laser pumped by diodes (1025 nm wavelength, 450 fs pulse duration, 1 kHz frequency repetition) as a laser source (3.1). The laser radiation from this source (3.1) has been focused by optical means (3.2) through a transparent liquid container (1), which has consisted of a 100 µL plastic cylindrical container, supported on a positioner of translation z. The optical means (3.2) have included a microscope objective that has a long working distance of 1 cm. The receiving substrate (4) used has been a commercial microscope glass slide coated with poly-L-lysine, and has been placed on a computer-controlled xyz translation positioner, whose displacement has been synchronized with the firing of the laser pulses .
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En este experimento, se ha comprobado la viabilidad del modo de realización esquematizado en la Figura 4 para imprimir líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser por medio de la preparación de un "microarray" (10 filas por 15 columnas) en las condiciones para las cuales se obtienen microgotas circulares. La disolución líquida ha consistido en una disolución salina de fosfato tampón (PBS) con glicerol al 20% (v/v). El "microarray" depositado se muestra en la Figura 11. Se puede observar que todas las microgotas son uniformes, con un contorno circular bien definido, y presentan un diámetro de unas 40 \mum. Tan alta reproducibilidad demuestra también que la técnica permite superar los inconvenientes asociados con la falta de uniformidad y estabilidad de la capa líquida inherentes a la LIFT.In this experiment, the feasibility of the schematic embodiment in Figure 4 for print transparent liquids to, or weakly absorbent of, the laser radiation through the preparation of a "microarray" (10 rows by 15 columns) under the conditions for which They get circular microdrops. The liquid solution has consisted in a phosphate buffered saline solution (PBS) with 20% glycerol (v / v). The deposited "microarray" is shown in Figure 11. It can be seen that all microdroplets are uniform, with a well defined circular contour, and have a diameter of about 40 \ mum. Such high reproducibility also demonstrates that the technique allows to overcome the inconveniences associated with the lack of uniformity and stability of the liquid layer inherent in the LIFT
En la presente invención, se desarrolla una técnica para la impresión de líquidos (2) transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser donde se evitan las restricciones impuestas por la preparación de una capa líquida: el líquido (2) es depositado directamente desde su contenedor (1) por medio de la absorción de la energía de un pulso láser (B) fuertemente focalizado en un punto dentro del líquido cerca de la superficie. La técnica da lugar al depósito de microgotas uniformes, bien definidas y muy reproducibles, lo que la hace adecuada para aplicaciones de "micropatterning".In the present invention, a technique for printing liquid (2) transparent to, or weakly absorbent, laser radiation where the restrictions imposed by the preparation of a liquid layer: the liquid (2) is deposited directly from its container (1) by means of absorbing the energy of a laser pulse (B) strongly focused on a point inside the liquid near the surface. The technique results in the deposit of uniform microdroplets, well defined and very reproducible, which makes it suitable for "micropatterning" applications.
Claims (20)
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- proveer medios (3) para la producción de un haz láser (B) que incluyen una fuente (3.1) de haz láser (B) que es capaz de emitir pulsos láser, y medios ópticos (3.2) para focalizar el haz láser (B);provide means (3) for the production of a laser beam (B) including a source (3.1) of laser beam (B) that It is capable of emitting laser pulses, and optical means (3.2) for focus the laser beam (B);
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- proveer un contenedor (1) que contiene un líquido (2) transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser teniendo el material a imprimir disuelto o en suspensión, yprovide a container (1) containing a liquid (2) transparent to, or weakly absorbent of, the laser radiation having the material to be printed dissolved or in suspension, and
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- proveer medios para soportar el sustrato receptor (4) a imprimir donde el sustrato receptor (4) mantiene la superficie a imprimir posicionada de forma que no está en contacto con el líquido (2), donde la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir está posicionada paralela y encarada a la porción de la superficie libre del líquido (2) y donde existe una separación entre la porción de la superficie libre del líquido y la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir, dondeprovide means to support the substrate receiver (4) to be printed where the receiving substrate (4) maintains the surface to be printed positioned so that it is not in contact with the liquid (2), where the surface of the receiving substrate (4) a print is positioned parallel and facing the portion of the liquid free surface (2) and where there is a separation between the portion of the free surface of the liquid and the surface of the receiving substrate (4) to print, where
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- el haz láser (B) está focalizado en un volumen focal (A) que está localizado dentro del líquido y a corta distancia de la superficie correspondiente a la porción de la superficie libre del líquido (2) y lejos de cualquier pared del contenedor (1);the beam laser (B) is focused on a focal volume (A) that is located inside the liquid and a short distance from the surface corresponding to the portion of the free surface of the liquid (2) and away from any wall of the container (1);
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- el haz láser (B) está focalizado fuertemente en un volumen focal (A) de forma suficientemente intensa para causar la absorción de la energía del pulso láser principalmente en el volumen focal (A), donde la absorción de la energía del pulso láser en el volumen focal (A) es tal que la energía absorbida por unidad de volumen supera el umbral para la producción de una burbuja sólo en el volumen focal (A), produciendo consecuentemente una burbuja que impulsa la porción de líquido (2) localizada entre el volumen focal (A) y la porción de la superficie libre del líquido (2) hacia la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir, ythe beam laser (B) is strongly focused on a focal volume (A) of Intense enough to cause energy absorption of the laser pulse mainly in the focal volume (A), where the Laser pulse energy absorption in the focal volume (A) is such that the energy absorbed per unit volume exceeds the threshold for the production of a bubble only in the focal volume (A), consequently producing a bubble that drives the portion of liquid (2) located between the focal volume (A) and the portion of the liquid free surface (2) towards the surface of the substrate receiver (4) to print, and
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- la porción de líquido (2) impulsada se deposita sobre la superficie del sustrato receptor (4) en forma de microgota del material (5) a imprimir.the portion of liquid (2) driven is deposited on the surface of the receiving substrate (4) in the form of a micro drop of the material (5) a to print.
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