飞秒激光双光子三维微细加工系统的研究

摘要

飞秒激光双光子微细加工是利用强聚焦飞秒激光诱导材料发生显著的双光子激发,进而实现复杂三维结构的微纳米加工.作为一种新兴微细加工技术,飞秒激光双光子微细加工技术以其特有的真正三维加工能力,亚微米级的分辨率等特点,正逐渐引起国内外微细加工领域的重视.该文基于高水平大学建设重点科研项目和国家自然科学基金项目(No.50275140)资助,研制了一套飞秒双光子三维微细加工实验系统,对双光子加工原理,进行了较为深入的研究,并取得了一系列实验结果.该文的主要成果如下:1.自行设计搭建了一整套飞秒双光子三维微细加工系统.其中包括作为光源的钛宝石飞秒激光系统,用来控制曝光量的光路开关,实时监控系统,和实现系统协调工作的控制软件.2.在对材料的非线性效应、双光子激发形式、双光子吸收截面、双光子激发速率等方面进行了深入研究的基础上,分别从激发光强和自由基浓度两个方面对系统进行了分辨率的理论建模.并作了相关的实验验证.3.在完成了相应的工艺实验得到最优的工艺参数的基础上,对于不同材料进行了三维微细加工试验,得到一系列三维微结构,采用大粘滞系数的负性光刻胶S-3我们成功的加工出齿轮轴微系统和光子晶体.这些实验结果充分显示了飞秒激光双光子的三维加工能力.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1微机电系统(MEMS)与先进制造技术

1.1.1微机电系统简介

1.1.2微型/微小机械的研究进展

1.1.3微细加工方法

§1.2快速成型技术

1.2.1快速成型技术原理及分类

1.2.2光立体成型加工的特点

1.2.3立体光固化技术的缺陷

§1.3双光子三维微细加工技术

1.3.1双光子微细加工特点

1.3.2双光子微细加工最新进展

§1.4课题研究意义和主要内容

1.4.1课题来源和研究的意义

1.4.2课题主要研究内容

第二章飞秒激光器

§2.1超快激光技术简介

2.1.1新锁模技术的突破

§2.2飞秒激光脉冲产生原理

2.2.1克尔透镜效应

§2.3飞秒激光器的设计及搭建过程

§2.4飞秒激光性能评测

第三章双光子微细加工系统

§3.1激光共焦显微镜系统

§3.2曝光控制系统

3.2.1高速响应光路开关研制

3.2.2纳米移动台

§3.3实时监控系统

§3.4系统控制软件的开发

3.4.1建立三维实体模型及预处理

3.4.2平面数据提取

3.4.3数据处理

3.4.4路径检验及动态仿真

3.4.5驱动控制部分

第四章双光子微细加工理论分析与实验验证

§4.1材料的非线性效应

§4.2双光子聚合原理

4.2.1双光子激发基本原理简介

4.2.2双光子激发形式

4.2.3双光子吸收截面

4.2.4双光子激发速率

§4.3双光子微细加工系统分辨率理论分析

4.3.1从激发光强角度分析系统分辨率

4.3.2从激发自由基浓度分析双光子加工分辨率

§4.4双光子微细加工系统分辨率实验研究

4.4.1实验设计

4.4.2单点曝光实验

第五章飞秒激光双光子三维微细加工

§5.1负胶有机材料的双光子加工

5.1.1 SCR500负性光刻胶三维加工

5.1.2西安交通大学S-3负性光刻胶三维加工

§5.2正胶有机材料的双光子加工

第六章总结与展望

§1工作总结

§2进一步研究的展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文