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  • 【期刊】 双光子聚合微加工高精密度PEG水凝胶的研究

    刊名:天津大学学报:自然科学与工程技术版 作者:邢金峰 ; 张倩 ; 苟晓蓉 关键词:双光子聚合微加工 ; 高精密度 ; PEG ; 水凝胶微结构 机构:天津大学化工学院 ; 天津大学化工学院 年份:2018
    摘要:高精密度的水凝胶微结构有利于更好地模拟生物体内微环境,双光子聚合微加工有望加工出任意形貌的高精密度水凝胶微结构.为了改善微结构的刚性,调节光刻胶的成分,加工了3种不同种类的微结构,优化后的光刻胶用于后续微结构的加工,研究了正加工和倒加工的差异.进一步研究了激光扫描速度对加工时间的影响.结果表明,适当提高聚合物刚性、采用倒加工以及适当提高扫描速度可以高效地加工出高精密度的水凝胶微结构.
  • 【论文】 飞秒激光双光子聚合微加工

    作者:吴东 关键词:飞秒激光 ; 双光子聚合 ; 微纳加工 机构:吉林大学 ; 吉林大学 年份:2007
    摘要: 飞秒激光双光子微加工技术是利用材料对飞秒激光束在焦点局部区域发生的双光子吸收现象,并通过逐点扫描来实现微器件三维成型的加工技术,它是一种全新的微细加工技术。 本文介绍了飞秒激光双光子微加工技术的原理、特点和过程,描述了我们自行搭建的飞秒激光双光子微加工系统,然后我们对工艺参数进行优化,分析工艺参数如激光功率、覆盖率、曝光时间和物镜的数值孔径对加工器件质量的影响,得出比较理想的工艺参数。最后,我们用双光子微加工系统成功地制作了一些微纳结构,如菲涅尔波带片,“井”字光栅结构,点阵结构,三维木堆光子晶体结构等。并巧妙的利用光学显微镜对菲涅尔波带片进行测试,得出各级焦点。实验表明,双光子微加工技术是一种灵活的加工技术。
  • 【期刊】 双光子聚合外齿轮组微加工

    刊名:激光与光电子学进展 作者:崔联合 关键词:激光技术 ; 双光子聚合 ; 外齿轮组 ; 微细加工 ; photomer3015 机构:江阴职业技术学院机电工程系 ; 江阴职业技术学院机电工程系 年份:2015
    摘要:文章介绍了用自制双光子聚合加工系统对不同曝光时间下的外齿轮组的微加工成型性进行了研究。在photomer3015材料内实现了外齿轮组的双光子聚合微加工,通过扫描电镜(SEM)分析了外齿轮组的微观形貌。结果表明,随着曝光时间的增加,齿轮组成型性变得较好;曝光时间增加时,总加工时间增加。当激光功率为0.3 m W,曝光时间为10 ms时,成功实现了齿厚为2 mm、分辨率为1.0 mm的外齿轮组的双光子聚合微细加工。
  • 【论文】 高分辨3D水凝胶微结构的双光子聚合水相微加工

    作者:刘玲 关键词:双光子聚合微加工 ; 水凝胶 ; 亲疏水组装 ; 加工阈值 ; 分辨率 机构:天津大学 ; 天津大学 年份:2016
    摘要:双光子吸收(Two-photon absorption,TPA)是一种三阶非线性光学过程,是指强光激发下,分子通过同时吸收和结合两个低能量的光子(两个光子的能量可以相同也可以不同),诱导分子跃迁到激发电子态的过程。基于双光子吸收特性的双光子聚合具有空间选择性高、长波激发短波发射和穿透深度大等优点。因此利用在介质中穿透力强、入射损耗小的近红外激光作为光源的双光子聚合微加工(Two-photon polymerization microfabrication,TPPM)可制备任意的三维微结构,且微结构的分辨率已经超过瑞利判据的光学衍射极限,是一种比较先进的3D直写打印技术。近年来,该技术广泛用于三维信息存储、光子晶体和光波导等光学元件加工。最近TPPM加工用于组织工程和药物递送的3D水凝胶是研究的热点,水凝胶是含水量与软组织相似的聚合物材料。但是TPPM引发剂多为疏水性化合物,需要在有机溶剂体系的树脂中进行,导致部分有机溶剂残留在加工的3D水凝胶微结构中。目前,该领域急需解决的关键问题是:研制水溶性的高活性双光子聚合引发剂,并且提高用水溶性引发剂加工的微结构的分辨率,因为高分辨的3D水凝胶在组织工程和药物递送方面具有重要的作用。针对这一问题,本研究以亲疏水组装的方法来制备水溶性双光子聚合引发剂,并对制备的水溶性双光子聚合引发剂的光学性质和加工性能进行了系统的研究,加工出了分辨率为92 nm的水凝胶线,首次将3D水凝胶的分辨率降到100 nm以下。首先,利用两亲性的泊洛沙姆(PF127)与具有高引发活性引发剂2,7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌进行亲疏水组装,制备水溶性的双光子聚合引发剂(WTPPI)使得水溶性增大,实现水相中生物相容性单体的双光子聚合。WTPPI在波长为780 nm处的双光子吸收截面为200 GM,这比之前报导的水溶性引发剂的双光子吸收截面大很多。引发单体(聚乙二醇丙烯酸酯)聚合的阈值是6.29m W(引发剂在树脂中的摩尔分数是0.03%)。横向分辨率为92 nm。该阈值比最近报导的水相中双光子聚合的阈值8.6 mW低很多,并且首次将水凝胶的分辨率提高到100 nm以下。研究了固定扫描速度和激光功率对线宽的影响,在激光能量为9 mW、扫描速度为10μm/s下,加工了完整的天津大学校徽二维结构。固定扫描速度为110μm/s,在激光能量分别为7.27 mW、9.46 m W、11.27 mW下,加工了精细的三维腺病毒结构,研究激光能量对结构精细度的影响。并加工了碳纳米管结构,研究水凝胶对PH的响应性。我们的3D水凝胶微纳结构加工的研究为其在生物医学方面的应用奠定了基础。
  • 【期刊】 飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发

    刊名:机械制造 作者:陈小亮 ; 任乃飞 ; 王群 关键词:飞秒激光 ; 双光子吸收 ; 光聚合 ; 微细加工 ; 快速成形 机构:江苏大学数字化制造研究所 ; 江苏大学数字化制造研究所 ; 江苏大学数字化制造研究所 ; 江苏大学数字化制造研究所 年份:2006
    摘要:阐述了飞秒激光双光子聚合(TPP)制造三维零件微快速原型技术和成形系统的搭建及其实现的理论基础,分析该技术的两大显著技术优势以及双光子吸收特性、双光子聚合工艺流程、成形材料及双光子触媒的特性,并在此基础上进行工艺参数影响分析和优化组合,给出初步实验结果,提出系统未来发展提升空间。
  • 【期刊】 飞秒激光双光子聚合加工微纳结构

    刊名:红外与激光工程 作者:孙树峰 ; 王萍萍 关键词:飞秒激光 ; 双光子聚合加工 ; 微纳结构 ; 扫描步距 ; 表面粗糙度 机构:青岛理工大学机械工程学院 ; 青岛理工大学机械工程学院 ; 青岛理工大学计算机工程学院 年份:2018
    摘要:针对微/纳机电系统(MEMS/NEMS)零部件加工制造难题,研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法,搭建钛蓝宝石飞秒激光微加工系统,对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明:随着激光功率的降低,单个固化点的尺寸减小,加工分辨率提高;扫描步距减小,所加工工件的表面粗糙度数值减小,但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构,利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物,通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线,从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。
  • 【论文】 双光子聚合加工非球面微透镜的研究

    作者:高巍 关键词:飞秒激光加工 ; 双光子聚合 ; 非球面 ; 微透镜 机构:吉林大学 ; 吉林大学 年份:2010
    摘要: 本实验利用飞秒激光双光子聚合加工技术,使用不同倍数的加工物镜在SU-8光刻胶中加工了不同形貌的微透镜。使用软件计算模拟的方法,代替复杂的光线光路计算,讨论了非球面微透镜在成像方面的优势,并使用飞秒激光双光子聚合加工技术,制备了旋转抛物面、旋转双曲面微透镜,与之前加工的相同半径、高度的球面微透镜对比,进行了聚焦测试,与软件计算结果相一致,又进行测成像测试,发现三者在成像过程中视野大小的不同。 为了使用大尺寸微透镜的加工,本实验先通过降低“点云”密度、加工“球壳”的方法减小了单位体积的加工量,后又通过使用低倍数的加工物镜来提高有效加工的范围,先后使用了25X、10X的物镜进行加工试验,分别制备了不同半径的非球面微透镜并对其进行了成像测试。设计并加工了可用于对发散角10°的激光进行准直的微透镜。 在本文的最后对飞秒激光双光子聚合加工技术进行了展望,提出了可对边发射半导体激光器进行光束准直的椭圆形微透镜设计方案,并制作了可用于加工的“点云”数据,这将是对边发射半导体激光器进行光束准直的一个全新概念。
  • 【论文】 三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术研究

    作者:靖贤 关键词:双光子聚合 ; 大面积制造 ; 三维微纳结构 ; 连续扫描曝光 ; 拟静态曝光 ; AMF文件 ; 自适应分层技术 机构:长春工业大学 ; 长春工业大学 年份:2017
    摘要:三维微纳结构是构成微光学、微电子、微流体、微生物支架以及超材料等微型器件的基础,其特有的微观形态结构使其具备了独特的光、电、磁、力、热等特性,在航空航天、军事、通信、生物医疗等多种领域有着日益增长的应用需求。三维微纳结构功能器件能否在这些领域中获得突破性应用,关键在于能否高效精密低成本地制造大面积、且特征尺寸在微纳米级的复杂三维结构。双光子聚合技术突破了光学衍射极限,具有纳米级加工分辨率,能够构造任意复杂的真三维微纳结构,被认为是目前最有发展前景的微纳加工技术之一。因此,开展大行程、高效率的三维微纳结构双光子聚合快速加工关键技术的研究具有十分重要的意义。本文针对三维微纳结构双光子聚合快速加工的关键技术,设计并构建了双光子聚合大面积快速结构化加工系统,开展了连续扫描曝光机理、拟静态曝光新方法、高精度快速分层处理技术等方面的研究,主要包括:(1)设计并构建双光子聚合大面积快速结构化加工平台根据多刚体运动学和齐次变换矩阵理论,建立大行程运动平台的几何误差与体元位姿的映射模型,并进行敏感性分析,获得关键误差项。以降低关键误差项为目标,完成大行程运动平台设计。将三维高频椭圆装置安装在大行程运动平台上,使其产生能够实现拟静态曝光的三维椭圆运动,以实现快速结构化加工。以毫米级微流体结构加工及检测为例,验证所搭建平台能够实现三维微纳结构的大面积制造、高精度制造。(2)揭示双光子聚合连续扫描曝光机理根据自由基浓度阈值理论和能量累积原理,揭示出双光子聚合中相邻体元之间的邻近效应,研究体元间距与所形成纳米纤维的截面尺寸的影响规律。并以此为基础,揭示连续扫描加工方式的曝光机理,建立连续扫描曝光方式下加工纳米纤维截面尺寸与加工参数的映射模型。并在在相同横向尺寸的条件下,建立点定位曝光方式加工体元所需时间与连续扫描加工纳米纤维所需扫描速度之间的转换关系模型。通过采用逐步上升法和悬臂法获取的完整体元及纳米纤维尺寸数据,验证本文所提出的纳米纤维截面尺寸模型。(3)拟静态曝光新方法及光通量补偿提出以提升双光子聚合加工效率为目标的拟静态曝光新方法,研制一套实现拟静态曝光方法的三维椭圆运动装置,在大行程运动平台上通过样件作高频三维椭圆运动以使超短脉冲激光束相对于样件中预期形成的体元位置瞬态驻留,从而可在大行程运动轴快速进给中进行快速精准曝光。建立拟静态曝光方法扫描速度、振动幅值、振动频率、体元间距等参数之间的依赖模型。通过实验研究拟静态曝光方法获得稳定结构的加工参数区间,并在相同参数下与连续扫描曝光方法的加工结果相对比,验证拟静态曝光在提高加工效率方面的有效性。(4)基于AMF数据模型的高精度快速分层技术利用AMF数据模型对三维微纳结构进行几何表达,在此新框架下开展最优切片和路径规划的研究。通过国际象棋模型实例,分析新型叠加制造文件AMF格式相对于常规STL数据格式在顶点定义、顶点调用、数据存储量等方面的优势。以微型蜘蛛为例,实现AMF文件格式的分层处理及路径规划。另外,本文提出一种基于特征方向的切片轮廓数据的自适应分层算法,通过实验对比自适应分层和等厚度分层的精度与效率,验证本文高精度快速分层处理技术的有效性。
  • 【论文】 双光子微加工水凝胶的研究及不同形貌复杂水凝胶的加工

    作者:苟晓蓉 关键词:双光子聚合微加工 ; 杨氏模量 ; PEG ; 水凝胶 ; 分辨率 机构:天津大学 ; 天津大学 年份:2017
    摘要:水凝胶是一种能够从水环境中吸水溶胀但不溶解的三维(3D)网状聚合物,具有良好的生物相容性,与生物体内细胞外基质(ECM)具有高度的相似性,所以水凝胶被广泛用于药物递送和组织工程等生物医药领域的研究。为了更好地模拟生物体内细胞所处的微环境ECM,需要水凝胶具有更精确的构象。传统微加工技术加工的水凝胶分辨率不高,而双光子聚合微加工(TPPM)技术具有三阶非线性光学性质,聚合反应只发生在激光焦点附近的极小体积内,所以能够加工出任意高分辨率3D水凝胶微结构。然而,在TPPM中,激光焦点受电脑控制,轨迹确定,如果已加工的部分刚性不够,发生变形,那么将不能加工出完整的微结构。所以保证TPPM加工的聚合物具有一定的刚性,将有助于加工出高分辨率的3D水凝胶微结构。此外,水凝胶的刚性对细胞行为有重要影响。针对这些问题,本研究首先进行了光刻胶的优化,选择出最优的光刻胶体系,并利用此光刻胶加工的微结构进行了杨氏模量研究。本文通过加工不同模型的水凝胶微结构,对比微结构分辨率,确定了最优光刻胶体系。在扫描速度为10μm/s时,这种光刻胶的线加工阈值为3.50 mW,对应的线宽为151 nm。利用光刻胶加工了30μm×30μm×5μm的长方体微结构,研究了空气中不同激光功率、激光扫描速度以及层间距下的微结构的杨氏模量,分别为10~18 MPa、9.0~16.5 MPa和8.7~28.8 MPa,并研究了水相中不同层间距下微结构的杨氏模量,值为3~6.5 MPa,接近软骨组织的杨氏模量,有望用于骨组织工程修复。此外,通过调节参数,利用光刻胶加工了各种各样的30°、45°、60°和90°等不同角度的红细胞微结构及其他复杂水凝胶微结构,有望更好地模拟细胞微环境。
  • 【期刊】 双光子聚合加工的光路模拟

    刊名:激光技术 作者:郑旭 ; 左春柽 ; 周晓勤 关键词:激光技术 ; 双光子聚合 ; 光路模拟 ; ZEMAX软件 ; 飞秒激光 机构:吉林大学机械科学与工程学院 ; 吉林大学机械科学与工程学院 年份:2015
    摘要:为了研究双光子聚合加工光路系统对聚合效果的影响,使用ZEMAX软件对光路系统的3个主要部分,即扩束镜、扫描振镜和聚焦透镜分别进行了设计,然后将3个部分结合到一起,从整体上模拟了整个光路系统,并且在光路中放置探测器来监控激光光束的变化情况。从模拟结果中可以直观清晰地观察到激光光束的能量分布在光路中的变化情况,主要分析了扩束镜对最终聚焦效果的影响。结果表明,扩束倍数越大,扩束镜越靠近光源,聚焦后焦点处的能量越高。该模拟结果也为实际实验系统的搭建提供了依据。
  • 【期刊】 双光子吸收光聚合微制造研究  

    刊名:《应用激光》 作者:崔联合 关键词:双光子吸收 ; 光聚合 ; 微制造 机构:江阴职业技术学院机电工程系 ; 江阴职业技术学院机电工程系 年份:2016
    摘要:基于双光子吸收微制造原理和自制双光子微制造系统,对不同激光功率和不同曝光时间下,轴承的微加工成型性进行了研究。在photomer 3015树脂内实现了轴承的双光子聚合微加工,通过SEM分析了滚动轴承的微观形貌。结果表明,在同一激光功率下,轴承的成型与曝光时间无关,但曝光时间过长,会影响制件的成型性;在同一曝光时间下,激光功率过小,光敏材料聚合不充分,功率过大会造成材料温度过高而无法成型;在激光功率为0.3mW,曝光时间为6ms时,所制备的轴承轮廓清晰。微小轴承总加工时间与激光功率无关,与曝光时间呈线性关系。
  • 【期刊】 双螺旋微结构的双光子聚合制备  

    刊名:《中国激光》 作者:刘力谱 ; 张世杰 ; 杨宏 ; 龚旗煌 ; 李焱 关键词:螺旋光束 ; 双光子聚合 ; 优化算法 ; 手性 机构:北京大学物理学院现代光学研究所 ; 北京大学物理学院现代光学研究所 年份:2017
    摘要:利用拉盖尔-高斯模式光束叠加产生的双螺旋光束,通过单次曝光双光子聚合可制备出双螺旋微结构。为了增强手性及谱宽,必须增加螺旋微结构的螺旋圈数,要求选择模式面上斜率更大的模式进行叠加,但是又导致旁瓣光较强,在聚合过程中将双螺旋的两个主瓣粘连到一起。本文提出了紧聚焦下的优化方法,可以明显抑制旁瓣光,得到符合要求的纯相位板,并通过单次曝光聚合了螺旋圈数高的无粘连的双螺旋微结构。
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