双光子聚合加工精确控制关键技术研究
发布时间：2021-04-09 15:07
双光子聚合加工技术通过将激光束聚焦到材料内部,可实现真正的三维快速原型加工,其加工精度可达微纳级。从其加工过程来看,聚合结构的成型是按照“点、线、面、体”的顺序进行的。这里的点对应着每次曝光后形成的体元,体元呈椭球形;线为多个体元连接成的直线或曲线;体元线按照特定的加工路径构成平面;多个平面沿高度方向累积就形成了最终的结构。由此可见,体元是构成最终聚合结构的基础,体元的空间姿态（包括体元大小、位置和角度）将直接影响着聚合结构的表面质量、力学性能等。虽然对于聚合后体元大小的研究已经很多,但是关于体元尺寸的具体变化过程、初始加工位置的定位、体元角度对于加工结果的影响进行的研究比较少。其次,目前的报道中,多是仅提到加工了何种类型的结构,而鲜有涉及加工后的结构尺寸与设计尺寸的一致性问题。再次,虽然双光子聚合加工具体很多优势,但是加工效率普遍较低,并且受体元自身尺寸和分层方法的影响,加工的二维/三维结构都会存在难以消除的误差,因此需要新的,更高效的路径规划方案来兼顾加工效率和表面质量。最后,双光子聚合加工过程是光、机、电系统相互结合共同作用的结果,需要控制激光器、机械快门、激光功率、运动平台和实...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
聚焦处的光强分布
吉林大学博士学位论文2图1.1聚焦处的光强分布3.脉冲持续时间短，加工过程中热影响小飞秒激光的工作过程被认为是无热影响的过程，这是因为飞秒激光辐照后，电子分布达到热平衡的时间要远小于能量传递的时间。因此，只有很小一部分的激光脉冲能量转化为热，从而可以实现非热加工[6,7]。飞秒激光的这一特性减弱了连续激光或长脉冲激光带来的热融化等负面影响。Chichkov等人[8]通过实验验证了这一现象，如图1.2所示，分别使用脉冲宽度为200飞秒和3.3纳秒的脉冲激光在100厚的钢箔上钻孔，结果表明，前者得到的烧蚀孔边界清楚，热损伤区域很小（图1.2a），而后者的边界模糊（图1.2b），这是由于熔化在烧蚀孔周围产生的严重影响。因此飞秒激光具有良好的空间选择性。图1.2短脉冲激光与长脉冲激光烧蚀结果对比4.加工对象广飞秒激光在与材料相互作用时一般以非线性吸收为主，而多光子吸收程度与材料中的自由电子浓度无关，只与材料本身的原子特性有关。因此，对于脉冲持续时间极短和峰值功率极高的飞秒激光可以对多种类型材料进行加工，而与加工对象是何种材料和材料本身特性关系不大[9]。RuitingHuang等人[10]通过飞秒激光对水凝胶聚合物进
取?飞秒激光的这些特性决定了其在微纳加工、激光烧蚀和材料改性等方面都得到广泛的应用和发展[18]。基于飞秒激光的双光子聚合加工技术即为一种常用的微纳加工技术。双光子聚合过程实际上包含了双光子吸收和光聚合两个过程。双光子吸收这一概念是由Geppert-Mayer[24]于1931年最先提出的，它是指当介质材料受到强光激发时，基态电子有可能同时吸收两个光子从基态跃迁到激发态。这在当时只是理论上的预测，并没有得到验证。直到30年后才由Kaiser和Garret首次通过实验验证了这种现象[25]。双光子吸收是相对于单光子吸收而言的，图1.3所示为单光子吸收和双光子吸收过程的对比。单光子吸收是指介质分子吸收一个能量为hν1的光子，从基态0跃迁到激发态1的过程；而双光子吸收是指介质分子同时吸收两个能量为hν2的光子，从基态0经虚态跃迁到激发态1、2或，再经过无辐射跃迁回到激发态1的过程[26]。图1.3单光子吸收和双光子吸收
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于任意分层方向的点云模型等厚分层算法研究[J]. 王春香,张文敬,赵强. 机械设计与研究. 2017(04)
[2]基于A3200控制器的超精密机床控制系统的设计与应用[J]. 高万彬,陈明君,刘亚忠,王廷章,刘赫男,张杰. 航空精密制造技术. 2017(03)
[3]飞秒激光制备微光学元件及其应用[J]. 曹小文,张雷,于永森,陈岐岱. 中国激光. 2017(01)
[4]光学微腔的应用和发展前景[J]. 张莹,陈梅雄,李莹颖,袁杰. 激光与光电子学进展. 2015(04)
[5]基于ABQUAS的高加速高精度定位气浮平台有限元分析[J]. 钟黔,洪荣晶,黄筱调. 机械设计与制造. 2013(04)
[6]飞秒激光双光子加工的极限分辨力[J]. 宋旸,董贤子,赵震声,段宣明. 强激光与粒子束. 2011(07)
[7]全聚合物SU8光波导制备工艺及其特性研究[J]. 孔光明,鄂书林,邓文渊,赵虎旦,郭洪波. 半导体光电. 2008(05)
[8]后烘温度对SU-8光刻胶热溶胀性及内应力的影响[J]. 杜立群,朱神渺,喻立川. 光学精密工程. 2008(03)
[9]双光子三维微结构快速制备技术[J]. 董贤子,段宣明. 光学精密工程. 2007(04)
[10]飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发[J]. 陈小亮,任乃飞,王群. 机械制造. 2006(02)
博士论文
[1]基于空间光调制器的飞秒激光加工微光学元件技术研究[D]. 曹小文.吉林大学 2019
[2]三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术研究[D]. 靖贤.长春工业大学 2017
[3]光学曲面在位测量关键技术研究[D]. 顾天奇.吉林大学 2014
[4]微光学元器件的激光微纳制备及性能表征[D]. 林晓锋.吉林大学 2012
[5]基于飞秒激光与物质相互作用的非线性与超快表征技术研究[D]. 闫子奇.吉林大学 2011
[6]基于激光技术的复杂结构和功能性器件研究[D]. 吴东.吉林大学 2010
[7]基于飞秒激光的复合材料光学非线性与诱导微结构的研究[D]. 杨青.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2009
[8]飞秒激光显微操作系统的研究[D]. 毛方林.天津大学 2004
[9]飞秒激光与透明介质相互作用的非线性及应用[D]. 程光华.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2004
硕士论文
[1]基于LabVIEW的飞秒激光加工的自动控制系统设计[D]. 韩蒙蒙.安徽大学 2016
[2]飞秒激光与透明晶体作用机理及微加工可行性研究[D]. 蔡君古.曲阜师范大学 2012
[3]非球面研抛加工运动控制的研究[D]. 冉同欢.长春工业大学 2012
[4]二维振镜式扫描系统在激光扫描成像中的应用[D]. 喻超.北京邮电大学 2011
[5]飞秒激光双光子微细加工工艺及实验研究[D]. 马竞.清华大学 2009
[6]飞秒激光双光子聚合微纳加工[D]. 吴东.吉林大学 2007
[7]飞秒激光微纳加工技术与应用研究[D]. 杨海峰.江苏大学 2007
[8]基于超快激光放大系统的啁啾效应控制[D]. 胡婉约.华东师范大学 2006
[9]紫外激光曝光光刻SU-8胶的工艺研究[D]. 路亮.北京工业大学 2006
[10]飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术的研究[D]. 刘立鹏.江苏大学 2005
本文编号：3127840
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
聚焦处的光强分布
吉林大学博士学位论文2图1.1聚焦处的光强分布3.脉冲持续时间短，加工过程中热影响小飞秒激光的工作过程被认为是无热影响的过程，这是因为飞秒激光辐照后，电子分布达到热平衡的时间要远小于能量传递的时间。因此，只有很小一部分的激光脉冲能量转化为热，从而可以实现非热加工[6,7]。飞秒激光的这一特性减弱了连续激光或长脉冲激光带来的热融化等负面影响。Chichkov等人[8]通过实验验证了这一现象，如图1.2所示，分别使用脉冲宽度为200飞秒和3.3纳秒的脉冲激光在100厚的钢箔上钻孔，结果表明，前者得到的烧蚀孔边界清楚，热损伤区域很小（图1.2a），而后者的边界模糊（图1.2b），这是由于熔化在烧蚀孔周围产生的严重影响。因此飞秒激光具有良好的空间选择性。图1.2短脉冲激光与长脉冲激光烧蚀结果对比4.加工对象广飞秒激光在与材料相互作用时一般以非线性吸收为主，而多光子吸收程度与材料中的自由电子浓度无关，只与材料本身的原子特性有关。因此，对于脉冲持续时间极短和峰值功率极高的飞秒激光可以对多种类型材料进行加工，而与加工对象是何种材料和材料本身特性关系不大[9]。RuitingHuang等人[10]通过飞秒激光对水凝胶聚合物进
取?飞秒激光的这些特性决定了其在微纳加工、激光烧蚀和材料改性等方面都得到广泛的应用和发展[18]。基于飞秒激光的双光子聚合加工技术即为一种常用的微纳加工技术。双光子聚合过程实际上包含了双光子吸收和光聚合两个过程。双光子吸收这一概念是由Geppert-Mayer[24]于1931年最先提出的，它是指当介质材料受到强光激发时，基态电子有可能同时吸收两个光子从基态跃迁到激发态。这在当时只是理论上的预测，并没有得到验证。直到30年后才由Kaiser和Garret首次通过实验验证了这种现象[25]。双光子吸收是相对于单光子吸收而言的，图1.3所示为单光子吸收和双光子吸收过程的对比。单光子吸收是指介质分子吸收一个能量为hν1的光子，从基态0跃迁到激发态1的过程；而双光子吸收是指介质分子同时吸收两个能量为hν2的光子，从基态0经虚态跃迁到激发态1、2或，再经过无辐射跃迁回到激发态1的过程[26]。图1.3单光子吸收和双光子吸收
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于任意分层方向的点云模型等厚分层算法研究[J]. 王春香,张文敬,赵强. 机械设计与研究. 2017(04)
[2]基于A3200控制器的超精密机床控制系统的设计与应用[J]. 高万彬,陈明君,刘亚忠,王廷章,刘赫男,张杰. 航空精密制造技术. 2017(03)
[3]飞秒激光制备微光学元件及其应用[J]. 曹小文,张雷,于永森,陈岐岱. 中国激光. 2017(01)
[4]光学微腔的应用和发展前景[J]. 张莹,陈梅雄,李莹颖,袁杰. 激光与光电子学进展. 2015(04)
[5]基于ABQUAS的高加速高精度定位气浮平台有限元分析[J]. 钟黔,洪荣晶,黄筱调. 机械设计与制造. 2013(04)
[6]飞秒激光双光子加工的极限分辨力[J]. 宋旸,董贤子,赵震声,段宣明. 强激光与粒子束. 2011(07)
[7]全聚合物SU8光波导制备工艺及其特性研究[J]. 孔光明,鄂书林,邓文渊,赵虎旦,郭洪波. 半导体光电. 2008(05)
[8]后烘温度对SU-8光刻胶热溶胀性及内应力的影响[J]. 杜立群,朱神渺,喻立川. 光学精密工程. 2008(03)
[9]双光子三维微结构快速制备技术[J]. 董贤子,段宣明. 光学精密工程. 2007(04)
[10]飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发[J]. 陈小亮,任乃飞,王群. 机械制造. 2006(02)
博士论文
[1]基于空间光调制器的飞秒激光加工微光学元件技术研究[D]. 曹小文.吉林大学 2019
[2]三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术研究[D]. 靖贤.长春工业大学 2017
[3]光学曲面在位测量关键技术研究[D]. 顾天奇.吉林大学 2014
[4]微光学元器件的激光微纳制备及性能表征[D]. 林晓锋.吉林大学 2012
[5]基于飞秒激光与物质相互作用的非线性与超快表征技术研究[D]. 闫子奇.吉林大学 2011
[6]基于激光技术的复杂结构和功能性器件研究[D]. 吴东.吉林大学 2010
[7]基于飞秒激光的复合材料光学非线性与诱导微结构的研究[D]. 杨青.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2009
[8]飞秒激光显微操作系统的研究[D]. 毛方林.天津大学 2004
[9]飞秒激光与透明介质相互作用的非线性及应用[D]. 程光华.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2004
硕士论文
[1]基于LabVIEW的飞秒激光加工的自动控制系统设计[D]. 韩蒙蒙.安徽大学 2016
[2]飞秒激光与透明晶体作用机理及微加工可行性研究[D]. 蔡君古.曲阜师范大学 2012
[3]非球面研抛加工运动控制的研究[D]. 冉同欢.长春工业大学 2012
[4]二维振镜式扫描系统在激光扫描成像中的应用[D]. 喻超.北京邮电大学 2011
[5]飞秒激光双光子微细加工工艺及实验研究[D]. 马竞.清华大学 2009
[6]飞秒激光双光子聚合微纳加工[D]. 吴东.吉林大学 2007
[7]飞秒激光微纳加工技术与应用研究[D]. 杨海峰.江苏大学 2007
[8]基于超快激光放大系统的啁啾效应控制[D]. 胡婉约.华东师范大学 2006
[9]紫外激光曝光光刻SU-8胶的工艺研究[D]. 路亮.北京工业大学 2006
[10]飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术的研究[D]. 刘立鹏.江苏大学 2005
本文编号：3127840
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