[发明专利]一种大行程柱坐标双光子聚合加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，特别是涉及一种大行程柱坐标双光子聚合加工方法及装置。 

背景技术

双光子聚合(Two Photon Polymerization,以下简称TPP)被认为是非常有发展前途的一种获得“真正”三维微纳结构器件的加工方法，在许多重要的工业领域中有着极为诱人的应用前景。例如，利用TPP方法可以制作三维超材料器件、微纳结构光学元件、三维仿生功能表面器件等。 

通过飞秒激光束聚焦所形成的聚焦体如何在试件材料内部按预先设计的路径进行扫描及曝光是TPP方法的关键之一。迄今为止，主要有如下一些基本的技术方案：(1)将试件安装在利用压电驱动的二维或三维微位移台上，以获得飞秒激光束相对于试件的高精密扫描(孙洪波等人，2004年；段宣明等人，2007年)；(2)利用气浮支撑、直线电机驱动的高精密运动轴x、y和z，以获得飞秒激光束相对于试件的大行程扫描(Andreas Ostendorf and Boris N.Chichkov，2006年)。(3)利用二维振镜绕x或y轴摆动，以获得飞秒激光束相对于试件的快速扫描(Jürgen Stampfl，2012年)。 

现有的这些技术方案主要存在如下有待解决的问题：(1)采用二维振镜，所获得的行程非常有限，不适合制作大面积的三维微纳结构器件；(2)压电驱动的微动台具有较高的往复运动精度，但所获得的行程和工作频率皆十分受限；(3)无论是小行程的驱动台还是大行程的气浮运动轴，皆是直角坐标系构形，使用两个直线运动逼近一个曲线运动，不可避免地存在插补误差；(4)采用大行程的气浮运动轴，虽可获得大行程，但若要遍历每个切片上预期的体元位置，三个运动轴x、y或z皆不可避免地存在回退，这使得运动精度难以保证；(5)无论是压电微位移平台扫描，直线电机驱动的高精密运动轴x、y、z扫描还是二维振镜扫描都难以保证在每个体元位置的扫描速度相等。体元是双光子聚合中最小的单元。影响体元大小的因素之一是曝光时间。当用高速扫描方法对曝光时间进行控制时，曝光时间t可设为激光扫描通过一个聚焦点处光斑直径2ω₀所需要的时间。当扫描速度不同时，曝光时间不同，所得到的体元大小会有差异，这将影响双光子聚合的加工精度；(6)因为双光子聚合为逐点扫描加 工，因此加工效率低。 

发明内容

本发明提供一种大行程柱坐标双光子聚合加工方法及装置，针对大面积三维微纳结构器件，以克服现有技术的不足。 

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤： 

(1)将试件以共轴或离轴方式安装在一个高精密转台上，建立试件在柱坐标系中的三维模型，并切片处理； 

(2)所述的高精密转台绕z轴作回转运动，称为C轴，使得飞秒激光束相对于试件作周向运动， 

a.当试件以共轴方式安装时，采用螺旋线扫描方式； 

b.当试件以离轴方式安装时，采用往复扫描方式，此时可以实时改变C轴转台的转速，以使飞秒激光束在每个预期的扫描位置获得大小相同的速度； 

(3)所述的高精密C轴转台安装在一个高精密的x轴进给溜板上，沿x轴作直线进给运动使得飞秒激光束相对于试件作径向运动； 

(4)通过二维振镜绕x和y轴的摆动，以使飞秒激光束沿C轴转台的径向作快速往复运动； 

(5)绕z轴回转、沿x轴进给和二维振镜的摆动的合成运动使飞秒激光束相对于试件获得所在切片上的曲线运动； 

(6)通过z轴溜板沿z向的运动，获得飞秒激光束聚焦中心沿z向的进给运动； 

(7)以上运动的综合使飞秒激光束聚焦中心在试件内部按预先设计的路径进行扫描及曝光，加工出所需的大面积三维微纳结构器件。 

实现本发明所述方法的装置的结构是： 

(1)在所述的装置中，x轴溜板水平安装在大理石床身上，C轴转台安装在x轴溜板上，z轴溜板垂直安装在大理石床身立柱上； 

(2)通过两个高精度的直线光栅一、直线光栅二分别测量x轴溜板和z轴溜板的直线位移，通过一个高精度的回转光栅测量C轴转台的角位移，C轴转台的角位移是x轴溜板和z轴溜板直线位移同步控制的基准； 

(3)所述的C轴转台，采用气浮回转轴承作支撑，通过伺服电机驱动； 

(4)所述的x轴溜板和z轴溜板，皆采用气浮直线导轨作支撑，通过直线电机进行驱动； 

(5)在所述的z轴溜板上，安装有显微物镜和二维振镜系统，通过二维振镜可以调整飞秒激光束绕x和y轴摆动。