飞秒激光微纳加工系统及功能器件工艺研究

论文摘要

作为一种新型的激光成型技术,飞秒激光双光子微细加工具有真三维,亚微米级分辨率,热效应小等技术特点,在微加工领域越来越受到重视。本文结合国家自然科学基金重点项目“飞秒激光功能微部件加工技术研究”（No.50335050）的主要研究内容,对现有的飞秒激光微加工系统进行了优化,介绍了飞秒激光与双光子材料的作用机理并建立理论模型,采用理论和实验相结合的方法优化了加工工艺参数,在此基础上加工了几种微光学、微机械功能器件。本文的主要研究工作及成果如下:1.介绍了自行搭建的飞秒激光系统的原理,组成,参数优化和性能特点。对飞秒激光微加工系统进行了性能优化和功能拓展,增加了BBO倍频光路,增加新移动平台加大扫描范围,升级了控制软件。2.深入研究了飞秒激光双光子微细加工工艺。基于双光子光聚合反应的自由基浓度理论建立模型,理论结合实验研究了加工系统的点、线、面工艺特点,优化扫描步距参数;建立了最大模型和最小模型进行仿真并结合实验优化加工面形结构的粗糙度,引入数学形态学的膨胀算法和腐蚀算法仿真并优化复杂微器件的加工工艺;提出变步距扫描方法保证微器件加工精度和效率。3.在功能微器件的加工方面,使用S-3负性胶加工了8层Log—pile结构光子晶体,并在红外波段测得带隙,其带隙位置与理论计算吻合;设计了环形变步距扫描方法,加工出2×2微透镜阵列和微fresnel透镜,并对其光学性能进行了初步测试。在微机械零件方面,使用逐点提升法,加工了可用于光驱动的万字型微转子。并加工了一组微齿轮和微齿轮轴,结合单臂微装配装置,成功组装成可自由转动的微齿轮传动装置。最后还对飞秒激光微切割细胞组织做了探索性研究。4.对Bowtie形状场增强纳米小孔的通光特性进行了实验研究,并对飞秒激光结合bowtie纳米小孔进行近场纳米加工的可行性进行了分析和展望。本论文的研究为飞秒激光双光子微纳米加工的深入发展和在MEMS功能微器件、微系统加工中的应用打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 微米机电系统（MEMS）的概况
• 1.2 主要的微细加工技术概况
• 1.2.1 光刻技术
• 1.2.2 LIGA技术
• 1.2.3 刻蚀技术
• 1.2.4 薄膜制备技术
• 1.2.5 微细电火花加工技术
• 1.2.6 电化学微加工技术
• 1.2.7 快速光成型技术
• 1.3 几种纳米加工方法
• 1.3.1 SPM纳米加工技术
• 1.3.2 化学自组装纳米加工
• 1.3.3 聚焦离子束加工
• 1.3.4 纳米压印技术
• 1.4 激光微细加工技术的产生和发展概况
• 1.5 飞秒激光器在超快过程研究中的应用
• 1.6 飞秒激光双光子微加工技术的发展和研究现状
• 1.6.1 飞秒激光双光子加工技术主要特点
• 1.6.2 飞秒激光双光子微加工国内外研究现状
• 1.7 飞秒激光热熔烧蚀微细加工
• 1.8 飞秒激光纳米加工技术
• 1.8.1 飞秒激光诱导材料表面产生纳米结构
• 1.8.2 飞秒激光结合近场光学技术实现纳米加工
• 1.9 论文课题来源及主要研究内容
• 第2章 飞秒激光微加工系统
• 2.1 飞秒激光器概况
• 2.1.1 脉冲激光器的产生、发展和应用
• 2.1.2 脉冲激光锁模原理
• 2.1.3 钛蓝宝石克尔透镜锁模
• 2.1.4 群速色散的产生和补偿
• 2.2 自行搭建的钛蓝宝石飞秒激光器
• 2.2.1 钛蓝宝石飞秒激光器的搭建
• 2.2.2 飞秒激光器输出性能测试
• 2.2.3 飞秒激光器谐振腔锁模参数理论分析
• 2.3 飞秒激光微加工系统组成
• 2.3.1 飞秒激光光源和 BBO倍频光路
• 2.3.2 光路传输部分
• 2.3.3 实时监控系统
• 2.3.4 系统软件控制和大范围步进电机三维移动平台
• 第3章 双光子微加工机理和工艺分析
• 3.1 光化学基本原理
• 3.1.1 材料激发态的产生
• 3.1.2 光引发链式聚合反应
• 3.2 双光子光聚合反应
• 3.2.1 材料的非线性光学特性
• 3.2.2 双光子光化学反应
• 3.2.3 双光子光聚合反应
• 3.2.4 双光子与单光子光化学反应的对比
• 3.3 几种常用的双光子光聚合材料
• 3.3.1 自由基引发剂型
• 3.3.2 光酸引发剂型
• 3.4 实验选用的几种双光子加工材料
• 3.4.1 光敏负胶
• 3.4.2 正性光刻胶
• 3.5 飞秒激光双光子加工工艺分析
• 3.5.1 自由基浓度理论模型建立
• 3.5.2 固化单点分辨率工艺分析
• 3.5.3 线形的加工工艺优化
• 3.5.4 面型结构的加工工艺分析
• 3.5.5 优化工艺参数提高加工表面粗糙度
• 3.5.6 数学形态学方法优化三维微结构加工工艺
• 3.5.7 连续可变步距扫描提高加工效率
• 第4章 飞秒激光双光子微加工三维功能微器件
• 4.1 Log-Pile三维光子晶体的加工
• 4.1.1 Log-Pile光子晶体的设计，工艺和制作
• 4.1.2 Log-Pile光子晶体的测试
• 4.2 微透镜阵列和微fresnel透镜的加工
• 4.2.1 2×2微球透镜的加工
• 4.2.2 微fresnel透镜的加工
• 4.2.3 微透镜的光学性能测试
• 4.3 光驱动微转子器件的加工
• 4.4 激光双光子微加工结合微装配技术制作可动微齿轮组
• 4.5 飞秒激光微加工技术应用于活体单细胞“手术”实验探索
• 第5章 飞秒激光与纳米光学元件
• 5.1 纳米小孔光学元件原理和研究现状
• 5.2 Bowtie纳米天线小孔的制作和近场光学测试
• 5.2.1 纳米小孔探针近场光学显微镜
• 5.2.2 纳米小孔探针的制作和测试
• 5.2.3 近场光学显微镜测量bowtie纳米小孔
• 5.3 结合力曲线进行纳米小孔的三维近场光学探测
• 5.3.1 200nm方形小孔的不同高度层光强分布测量
• 5.3.2 Bowtie纳米小孔的不同高度层光强分布测量
• 5.4 飞秒激光结合bowtie纳米光学元件实现纳米加工的探索和展望
• 第6章 总结和展望
• 6.1 论文的主要研究成果
• 6.2 研究工作的创新之处
• 6.3 论文的工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢