本文關鍵詞：飛秒激光雙光子聚合成形加工質(zhì)量的研究　出處：《吉林大學》2016年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 雙光子聚合 成形加工質(zhì)量 誤差建模 二維振鏡 氣浮平臺 敏感性分析

【摘要】：飛秒激光雙光子聚合(Two Photon Polymerization,TPP)是一種強大的、有潛力的三維微納加工方法,它可以加工多種工程材料(如聚合物、陶瓷、金屬、雜化材料等)的任意復雜的三維結構,且分辨率可達100 nm以下。因此被廣泛應用在微光學器件、電子、通信、生物醫(yī)學、微流體器件、微機電系統(tǒng)、超材料等領域。TPP的成形加工質(zhì)量直接關系到三維微納結構的使用性能,如表面粗糙度對微光學器件的光學性能影響較大。影響TPP成形加工質(zhì)量的因素包括TPP的原理誤差(STL模型的離散化誤差和臺階效應)、TPP的工藝參數(shù)(飛秒激光功率、曝光時間、物鏡的數(shù)值孔徑、體元間重疊率、分層厚度等),三維掃描系統(tǒng)的幾何誤差和顯影階段的收縮變形等。隨著大面積三維微納結構需求的不斷增長,基于大行程氣浮運動平臺和二維振鏡的三維掃描系統(tǒng)逐漸被采用。與壓電平臺相比,三軸氣浮平臺和二維振鏡的幾何誤差會引起體元位姿在試件坐標系中較大的偏離,從而對成形加工質(zhì)量造成較大的影響。因此本文對TPP的工藝參數(shù)、三軸氣浮平臺的幾何誤差和二維振鏡的幾何誤差與TPP的成形加工質(zhì)量的關系展開研究。論文取得的研究成果包括:1)搭建了基于三維壓電平臺和二維振鏡的TPP加工系統(tǒng),包括硬件方面(光源、各種光學元器件和掃描系統(tǒng)等)和軟件方面(加工數(shù)據(jù)的生成等),根據(jù)自由基濃度模型推導出了TPP分辨率的表達式。通過理論分析和物理實驗發(fā)現(xiàn),體元隨激光功率、曝光時間增加、數(shù)值孔徑減小而逐漸變大,且越來越細長。采用較小的體元、較大的重疊率和較小的分層厚度可獲得表面質(zhì)量較好的微納結構。2)基于多體系統(tǒng)理論建立了三軸氣浮平臺的綜合誤差模型,并用基于方差的全局敏感性分析方法對每個誤差分量進行了敏感性分析。結果表明,每個軸的角度誤差對體元位置的影響比較大,而線性誤差對體元位置的影響比較小。其中,x軸的影響最大,y軸其次,z軸的影響最小。此外,三個垂直度誤差對體元位置的影響也較大。三軸氣浮平臺的俯仰、翻滾誤差及X軸與Z軸垂直度誤差、Y軸與Z軸垂直度誤差對體元姿態(tài)的影響比較大,而其余誤差影響較小。之后分析了三軸氣浮平臺的敏感誤差單獨作用和綜合誤差對體元位姿的影響,并以加工一球體為例分析了綜合誤差對TPP成形加工質(zhì)量的影響。結果表明,三軸氣浮平臺幾何誤差可引起體元間的分離,對三維微納結構的成形加工質(zhì)量造成較大的影響。3)用矢量法推導出了體元位姿與二維振鏡轉(zhuǎn)角間的關系,當二維振鏡存在幾何誤差時,導出了二維振鏡掃描系統(tǒng)的綜合誤差模型,并用基于方差的全局敏感性分析方法對二維振鏡的12項幾何誤差進行了敏感性分析。結果表明,二維振鏡的6個角度誤差對體元位置的影響比較大,而x振鏡的3個角度誤差對體元姿態(tài)的影響比較大。之后分析了二維振鏡敏感誤差單獨作用和綜合誤差對體元位姿的影響,并以加工一平面為例分析了綜合誤差對TPP成形加工質(zhì)量的影響。結果表明,由于幾何誤差的作用,實際表面質(zhì)量比理想表面質(zhì)量差很多。
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【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG665

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