兩光子聚合三維微納結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)研制.pdf

1、三維微納結(jié)構(gòu)表面功能器件以及三維體（或體內(nèi)）微納結(jié)構(gòu)功能器件，以下統(tǒng)稱為三維微納結(jié)構(gòu)，在許多重要的工程領(lǐng)域有著非常吸引人的應(yīng)用潛力。主要涉及兩個(gè)方面:(1)利用三維微納結(jié)構(gòu)表面獲得期望的固/固或固/流界面效應(yīng)，例如導(dǎo)軌副、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞/缸體副、汽輪機(jī)葉片等;(2)利用三維微納結(jié)構(gòu)表面或體微納結(jié)構(gòu)改變外部物理場(chǎng)（例如電磁波，光波，等離子體波，力場(chǎng)，熱場(chǎng)，磁場(chǎng)等）的作用從而獲得期望的響應(yīng)特征，例如隱形、散熱、負(fù)壓縮性、高分辨率成像等。

2、　　超材料是一種具有三維微納結(jié)構(gòu)的人工復(fù)合材料，為了使包括超材料的三維微納結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用，其關(guān)鍵還在于如何對(duì)三維微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積高效制造。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，基于飛秒激光的兩光子聚合(Two-PhotonPolymerization，以下簡(jiǎn)稱TPP)是獲得真正三維微納結(jié)構(gòu)的一種非常有發(fā)展前途的工藝方法，但是迄今為止還存在一些問題亟待研究解決。
　　為了對(duì)三維微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積兩光子聚合加工，現(xiàn)行的方法主要是利用大

3、行程的工作臺(tái)沿x和（或）y向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而遍歷所有期望曝光的體元。該方法的主要問題是，大行程的平動(dòng)軸繞x和y軸的偏擺誤差通常都在幾百個(gè)納米量級(jí)或者更高，如何在工作臺(tái)快速進(jìn)給中對(duì)這些偏擺誤差進(jìn)行校正尚未見到有效的技術(shù)方案。為解決所述的這些問題，本論文作者所在的課題組提出了如下的技術(shù)方案:(1)在工作臺(tái)快速進(jìn)給過程中夾持試件的載物臺(tái)作三維橢圓振動(dòng)以使飛秒激光束相對(duì)于試件進(jìn)行擬靜態(tài)曝光的方法;(2)在工作臺(tái)快速進(jìn)給過程中利用二維振鏡操縱飛秒

4、激光束快速偏轉(zhuǎn)，以校正工作臺(tái)平動(dòng)軸沿x和y軸的偏擺誤差。為了實(shí)施所述的這兩個(gè)技術(shù)方案，本論文將著重研究一種兩光子聚合三維微納結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及加工運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等問題。具體包括如下內(nèi)容:(1)基于TPP的三維微納結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。通過在大行程運(yùn)動(dòng)臺(tái)上安裝一個(gè)三維橢圓振動(dòng)裝置（由于三維橢圓振動(dòng)裝置尚未制作，本文在此使用一個(gè)三維微動(dòng)臺(tái)替代進(jìn)行原理性探索。），使被加工工件在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中相對(duì)于工作臺(tái)作三維橢圓運(yùn)動(dòng);在光路系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)上安裝

5、一個(gè)二維振鏡系統(tǒng)，以使飛秒激光束繞x和y軸進(jìn)行偏擺。利用CATIA三維造型軟件，對(duì)所述加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)。
　　(2)在連續(xù)進(jìn)給過程中基于TPP的加工運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)。基于飛秒激光束的相繼點(diǎn)位曝光，對(duì)大行程工作臺(tái)以及三維微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用MATLAB軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，并結(jié)合此時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)的飛秒激光照射的能量分布對(duì)比，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方案的可實(shí)現(xiàn)性。
　　(3)基于TPP的三維微納結(jié)構(gòu)加工系