飞秒激光双光子聚合成形加工质量的研究

发布时间：2017-12-29 02:04

本文关键词：飞秒激光双光子聚合成形加工质量的研究　出处：《吉林大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：飞秒激光双光子聚合(Two Photon Polymerization,TPP)是一种强大的、有潜力的三维微纳加工方法,它可以加工多种工程材料(如聚合物、陶瓷、金属、杂化材料等)的任意复杂的三维结构,且分辨率可达100 nm以下。因此被广泛应用在微光学器件、电子、通信、生物医学、微流体器件、微机电系统、超材料等领域。TPP的成形加工质量直接关系到三维微纳结构的使用性能,如表面粗糙度对微光学器件的光学性能影响较大。影响TPP成形加工质量的因素包括TPP的原理误差(STL模型的离散化误差和台阶效应)、TPP的工艺参数(飞秒激光功率、曝光时间、物镜的数值孔径、体元间重叠率、分层厚度等),三维扫描系统的几何误差和显影阶段的收缩变形等。随着大面积三维微纳结构需求的不断增长,基于大行程气浮运动平台和二维振镜的三维扫描系统逐渐被采用。与压电平台相比,三轴气浮平台和二维振镜的几何误差会引起体元位姿在试件坐标系中较大的偏离,从而对成形加工质量造成较大的影响。因此本文对TPP的工艺参数、三轴气浮平台的几何误差和二维振镜的几何误差与TPP的成形加工质量的关系展开研究。论文取得的研究成果包括:1)搭建了基于三维压电平台和二维振镜的TPP加工系统,包括硬件方面(光源、各种光学元器件和扫描系统等)和软件方面(加工数据的生成等),根据自由基浓度模型推导出了TPP分辨率的表达式。通过理论分析和物理实验发现,体元随激光功率、曝光时间增加、数值孔径减小而逐渐变大,且越来越细长。采用较小的体元、较大的重叠率和较小的分层厚度可获得表面质量较好的微纳结构。2)基于多体系统理论建立了三轴气浮平台的综合误差模型,并用基于方差的全局敏感性分析方法对每个误差分量进行了敏感性分析。结果表明,每个轴的角度误差对体元位置的影响比较大,而线性误差对体元位置的影响比较小。其中,x轴的影响最大,y轴其次,z轴的影响最小。此外,三个垂直度误差对体元位置的影响也较大。三轴气浮平台的俯仰、翻滚误差及X轴与Z轴垂直度误差、Y轴与Z轴垂直度误差对体元姿态的影响比较大,而其余误差影响较小。之后分析了三轴气浮平台的敏感误差单独作用和综合误差对体元位姿的影响,并以加工一球体为例分析了综合误差对TPP成形加工质量的影响。结果表明,三轴气浮平台几何误差可引起体元间的分离,对三维微纳结构的成形加工质量造成较大的影响。3)用矢量法推导出了体元位姿与二维振镜转角间的关系,当二维振镜存在几何误差时,导出了二维振镜扫描系统的综合误差模型,并用基于方差的全局敏感性分析方法对二维振镜的12项几何误差进行了敏感性分析。结果表明,二维振镜的6个角度误差对体元位置的影响比较大,而x振镜的3个角度误差对体元姿态的影响比较大。之后分析了二维振镜敏感误差单独作用和综合误差对体元位姿的影响,并以加工一平面为例分析了综合误差对TPP成形加工质量的影响。结果表明,由于几何误差的作用,实际表面质量比理想表面质量差很多。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665

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