飞秒激光微纳加工数据模型研究

论文摘要

飞秒激光双光子聚合技术是一种简单、高精度、真三维的微纳加工技术,可以用来制备各种复杂的三维微纳结构和功能性器件。利用该技术加工首先为加工目标建立数据模型,它代表着目标物体的形状和扫描方式。对于一些复杂的目标物体,则更需要制作复杂的数据模型和优化的扫描方式,这样才能保证高精度的激光微纳制备,然而,目前还没有一款用于飞秒激光微纳加工的数据模型的生成软件。本文提出了基于CAD技术和解析方程两种方法优化所要加工的微结构数据模型,解决了复杂特殊数据模型生成过程中的一些关键问题,并成功的利用飞秒直写技术实现了高质量的微纳结构。尤其在对STL接口协议的算法中,获得了一些首创性研究成果,为快速成型领域提供了一种新的数据处理方法。最后,本文还利用计算机模拟与实验相结合设计制备了几种高精度的微光学元件,并对其性能进行系统的研究,为飞秒激光微纳加工技术在集成光学的应用进行了探索性的研究。本文主要内容有：一、控制系统软件是决定飞秒制备的关键,本文首先对飞秒激光微纳加工系统的软件进行优化设计。我们分别对基于数字振镜配合物镜镜头扫描与基于直线电机驱动气浮平台进行大范围高精度定位两种方法进行微纳加工进行程序整体设计,且利用缓存加工模式配合PSO系统来优化以上两个参数来提高表面平滑度。1.对于高精度的激光微纳加工,表面质量很重要,尤其对高质量的微光学器件。我们优化了数字振镜配合物镜扫描系统的控制程序,并首次采用了缓存加工模式提高了微结构的表面平滑度,使表面粗糙度降低到只有2.5nm。进一步我们利用此系统制作了高精度波带片,衍射效率为35.8%,比未采用缓存模式制备的波带片效率为30%,有了明显的提高。2.数字振镜配合物镜的加工范围较小,一般为100μm量级,这限制了飞秒激光加工的许多应用前景,所以需要设计用于大范围直线电机驱动气浮平台的控制系统。根据气浮平台惯性大的特点,设计了队列加工模式配合软件PSO以及动态加工速度等优化加工过程,提高气浮平台加工复杂结构的能力,实验中制作了心脏模型,通过对比发现优化后系统加工的心脏模型表面形貌更加平滑,这也进一步证实了经过优化的大范围加工平台可用于飞秒激光微纳加工制作大尺寸微流控芯片、微机械等方面。二、以上是对微纳加工系统控制程序进行的优化,随后,我们又对数据模型的生成进行了一系列研究,主要是对基于STL文件转化与基于解析方程模拟的两种数据模型生成方法进行了优化,并实现了高平滑度的曲面微透镜,以及进行了复杂的三维微机械制备。1.通过交线环的排序算法,提出交线环修复代替STL数据模型修复,提高运算效率。通过平面与STL模型相交运算进行交线环探测,并利用直线与交线环相交的方法实现了STL数据模型转化为可用于飞秒激光微纳加工的实体点云数据。首次提出基于轮廓STL数据模型的转化的算法,提出基于曲率动态设定切割密度,使STL数据模型保持得更完美,避免模型两极出现漏洞现象。首次提出通过包含某点的所有平面的法向量计算某点的法向量的方式对STL数据模型进行缩放。2.对于一些曲面加工,很容易造成粗糙的棱角现象,不利于高精度的微器件制备。我们首次提出了新的扫描方式——等弧切割扫描,也就是沿着弧面相邻两个点单元之间的距离保持不变,而高度是个变量。通过此方法的优化,我们制备了高质量的金刚石结构的三维光子晶体,高填充的非球面微透镜阵列,以及高质量的三维人工复眼,均得到了理想的光学性能。其中人工复眼其视场角达到了90。,远高于国际报道的10。三、经过以上对控制软件和数据模型的优化处理后,我们利用飞秒激光微纳加工技术可以实现各种高质量的微纳结构和功能性微机械。最后我们用飞秒激光直写制备几种微光学元件,如高效率的波带片阵列和高精度的微透镜,并对其光学性能进行系统研究。1.波带片是一种重要的聚焦和成像器件,但是目前的波带片效率低下。这里我们首先设计并制备了高阶波带片,显著提高了波带片的的衍射效率,测得其衍射效率达到85%以上。并且利用制作出的波带片进行激光准直测试,可将激光发散角从20°减小到小于10marc。2.除了单个的波带片,我们还设计并制作了波带片阵列结构,并测试了其光学性能。我们利用光电转换装置对二阶波带片阵列的衍射效率进行了测试,在波长为532nm的激光照射下,测得对于四角、六角和100%填充情况下的衍射效率分别为33.7%、35%和33%,其中六角排列的波带片阵列的衍射效率非常接近二阶波带片的理论衍射效率40.5%。并且,为提高波带片阵列的光能利用率,我们还设计制备了高阶波带片和高填充的波带片阵列,分别设计并制作了四方、六方排列和100%填充因子的高阶波带片阵列,并得到了理想的光学性能。3.除了波带片,我们还计算得到了强聚焦透镜的曲面公式为符合一定条件的双曲面,且用不同的折射率材料制作透镜需要的曲面公式不同。实验中我们制备了球面与双曲面透镜,并对其光场模拟,通过光学性能对比发现,双曲面微透镜聚焦效率比球面透镜聚焦效率高出50%。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微纳加工数据模型
• 1.2.1 CAD应用软件概述
• 1.2.2 微纳加工系统控制软件
• 1.2.3 数据模型生成算法概述
• 1.3 微光学元件及其集成
• 1.4 课题来源及研究目的
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究目的及意义
• 第二章 微纳加工控制系统的构筑
• 2.1 引言
• 2.2 数字转镜控制程序设计
• 2.2.1 控制软件的人机界面
• 2.2.2 控制软件的优化设计
• 2.2.3 数据的排序
• 2.3 气浮直线电机驱动程序设计
• 2.3.1 控制软件的整体思路
• 2.3.2 软件PSO系统设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于CAD模型的转化算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 STL模型介绍
• 3.2.1 STL文件存储格式与读取过程
• 3.2.2 STL模型网格规则问题处理
• 3.3 基于直角坐标系的STL模型转化算法
• 3.3.1 交线环的探测方法
• 3.3.2 STL模型内部点云的生成
• 3.4 基于轮廓的STL模型转化算法
• 3.4.1 STL模型轮廓探测算法
• 3.4.2 STL模型的壳层转化算法
• 3.4.3 曲线拟合算法研究
• 3.5 基于平面图形的转化算法
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于解析模型的生成算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 金刚石晶体结构模型设计
• 4.2.1 金刚石晶体结构模型介绍
• 4.2.2 倾斜圆柱的生成
• 4.2.3 球体的生成与组装
• 4.3 人工复眼模型设计
• 4.3.1 人工复眼介绍
• 4.3.2 微透镜模型生成
• 4.3.3 单眼的排布算法与角度调整
• 4.4 本章小结
• 第五章 飞秒激光直写加工微光学元件
• 5.1 引言
• 5.2 波带片及其阵列的设计与加工
• 5.2.1 波带片及其阵列介绍
• 5.2.2 高阶波带片设计优化及其性能研究
• 5.3 强聚焦微透镜的设计与加工
• 5.3.1 强聚焦透镜的设计
• 5.3.2 强聚焦透镜的光斑模拟
• 5.3.3 强聚焦透镜的制作与性能测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢