【摘要】：飛秒激光內(nèi)加工技術(shù)在制作具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微機(jī)械、微光學(xué)系統(tǒng)中有著較強(qiáng)的優(yōu)勢,特別是在制備具有中空三維結(jié)構(gòu)的微流控芯片中有著無可取代地位。飛秒激光具有峰值功率高、脈沖寬度短等特點(diǎn),在加工過程中可以直接聚焦在材料內(nèi)部通過激光直寫法得到中空微結(jié)構(gòu),解決了傳統(tǒng)加工方法加工效率低、加工工藝復(fù)雜、樣品成功率低、難以制備復(fù)雜三維構(gòu)型內(nèi)通道等問題,使得飛秒激光內(nèi)加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。本文以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為研究對象,對飛秒激光在其內(nèi)部加工連續(xù)中空微通道進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究,主要內(nèi)容及結(jié)果如下:1、研究了經(jīng)飛秒激光輻照后材料表面、擴(kuò)散深度1/4倍、1/2倍、3/4倍、1倍位置處的溫度變化。材料經(jīng)飛秒激光輻照后的溫度變化不僅與激光的參數(shù)有關(guān),還與材料對激光的吸收率、材料自身的特性等密切相關(guān)。研究表明,熱擴(kuò)散溫度呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律,且表面下方各點(diǎn)處的溫度升至最高點(diǎn)的時(shí)刻逐漸滯后,可達(dá)到的溫度最大值也隨著深度的增加而減小。2、研究了不同重復(fù)頻率飛秒激光的加工機(jī)制,對飛秒激光加工透明電介質(zhì)材料過程中的熱積累過程進(jìn)行研究,分析出了不同重復(fù)頻率的飛秒激光對加工效果的影響。研究表明,當(dāng)照射的飛秒脈沖數(shù)量足夠多時(shí),在重復(fù)頻率較低(1kHz)時(shí)無論照射多少脈沖都不存在熱積累過程;當(dāng)重復(fù)頻率增大后(10kHz、100kHz),由于脈沖間隔時(shí)間小于熱擴(kuò)散時(shí)間,故單個脈沖產(chǎn)生的熱量會被積累,并隨著脈沖個數(shù)的增加使溫度不斷升高;當(dāng)重復(fù)頻率更高時(shí)(1MHz),熱積累效應(yīng)更加明顯,材料溫升速度也更快,能夠達(dá)到的最高溫度也在增加。3、研究了不同重復(fù)頻率與加工閾值及加工效率的關(guān)系。研究證明高重復(fù)頻率的飛秒激光可使閾值能量密度隨重復(fù)頻率的增加呈指數(shù)形式下降,重復(fù)頻率越高,達(dá)到材料破壞閾值所需要的能量密度就越小。且隨著重復(fù)頻率的增加,材料達(dá)到相變溫度所需要的時(shí)間越短,加工的效率越高。4、研究了不同飛秒激光加工參數(shù)對通道質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)中采用自下而上的加工方式,在不經(jīng)任何氣體、液體輔助條件下即可通過激光直寫法得到中空三維微通道,并具體研究了激光功率、加工速度、加工深度、掃描次數(shù)等因素對通道質(zhì)量的影響。其中,激光功率的不同使得通道橫截面圓度隨之變化;隨著掃描速度的增加,通道的直徑呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律;隨著加工深度的增加,作用在材料上的激光功率及激光沉積能量隨著深度的增加逐漸衰減,使得通道直徑隨著加工深度的增加而不斷減小;當(dāng)飛秒激光對通道進(jìn)行多次快速掃描時(shí),聚焦的激光會擊穿中空通道內(nèi)的氣體形成等離子體,使得激光大部分能量被吸收并向周圍輻射熱能,導(dǎo)致微通道隨著掃描次數(shù)增多發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、通透性降低。5、利用鈦寶石飛秒激光器在不經(jīng)任何氣、液輔助的條件下,在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)內(nèi)部制備了連續(xù)中空微通道,并經(jīng)過注液實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通道具有良好的暢通性、透光性、親水性。
【圖文】：

第 1 章 緒論的材料，如：金剛石、石英玻璃等，需要對其進(jìn)行切割時(shí)，由于大（是鋼鐵的數(shù)十倍）、硬度高，用普通的長脈沖激光進(jìn)行切割象嚴(yán)重、熱量損失及材料切割邊緣質(zhì)量差等缺點(diǎn)，而采用飛秒激可以避免熱效應(yīng)對樣品的破壞，獲得較好的加工精度。）飛秒激光在雙光子聚合中的應(yīng)用子聚合是指物質(zhì)在雙光子吸收的基礎(chǔ)上發(fā)生的光子聚合作用，雙典型的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，要求輻射光場有足夠的強(qiáng)度。飛秒短、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，很容易在材料中實(shí)現(xiàn)雙光子吸收，因此在微非常重要的應(yīng)用。雙光子聚合常用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1-1 所示，該

圖 1-1 雙光子聚合技術(shù)加工示意圖Fig. 1-1 Two-photon polymerization micro-nano processing schematic性成果是 SatoshiKawata[42]等人利用雙光子聚合制造出了“納微米�！薄＜す馄鳛殒i模摻鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器，其脈寬為 150fs，中心波長為 780頻率為 76MHz，，激光使用 NA=1.4 的物鏡進(jìn)行聚焦后作用在待加工材料工材料為 SCR500 樹脂材料。圖 1-2 是“納微米�！钡� 掃描電子顯微（SE，該“納微米�！比黹L為 10μm，高為 7 μm，最微小部分的尺寸僅為是迄今為止人類獲得的最小的動物雕塑。該牛周身光滑、牛角鋒利，神生，被認(rèn)為是微納技術(shù)的一個標(biāo)志。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN249

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號：2604410