大面积三维超材料快速结构化加工新技术的研究

The ever-increasing attention has been paid to three-dimensional metamaterials in many engineering fields; they are very attractive for potential applications. The two-photon polymerization (TPP) with ultrashort pulsed laser has been recognized as a very promising process for structuring of three-dimensional (3D) metamaterials. However, there are some key issues to be studied for large-area and rapid structuring. The research objective of this project is to develop a new TPP-based approach to the rapid structuring of large-area 3D metamaterial. The innovative features of this project involves mainly: to realize the pinpointing exposure for voxel formation by high-frequency 3D elliptical motion of the sample during the rapid feeding of large-range stage; to form the expected voxel altitude inside the sample by deflecting the focused laser beam with the fast 2D galvanometer servo; to dynamically correct the voxel locations inside the sample by varying the orbit centre of 3D elliptical motion; and to optimize the slicing thickness and the path of voxel traversal based on AMF model for geometrical structure of 3D metamaterial. This investigation provides critical theoretical and technical foundation for rapid structuring of large-area 3D metamaterials, and helps to advance the engineering applications of 3D metamaterial in many engineering fields.

三维超材料在许多领域受到了日益增加的关注、具有极为诱人的应用潜力。利用超短脉冲激光的两光子聚合（TPP）被普遍认为是进行三维超材料结构化加工的一种非常有发展前途的方法，然而迄今为止关于大面积快速结构化加工还存在着一些关键问题有待研究解决。本项目针对三维超材料，致力于研究并形成一种利用TPP的大面积快速结构化加工新技术，其创新特征主要涉及：通过样件作三维高频椭圆运动，以在大行程运动轴快速进给中在样件内预期位置进行精准曝光；通过快速二维振镜伺服，以在样件中获得预期的体元姿态；通过主动校正三维椭圆运动的轨迹中心，以在样件中获得预期的体元位置；在一种新的叠加制造数据模型AMF的框架下，对三维超材料的几何结构进行最优切片及体元遍历。本项目研究将为大面积三维超材料快速结构化提供关键的理论基础和技术基础，对于推动三维超材料在诸多受关注领域中获得突破性的工程应用具有重要的意义。

三维超材料在许多领域受到了日益增加的关注，利用超短脉冲激光的两光子聚合（TPP）被认为是进行三维超材料结构化加工的一种有发展前途的方法，但关于大面积快速结构化加工还存在着一些问题有待解决。为此，本项目研究并形成一种利用 TPP 的大面积快速结构化加工新技术。创新性研究如下:1)项目组自主研制了一套双光子聚合大面积快速结构化加工平台，行程为100mm×100mm×100mm，定位精度为200nm；开发了可实现快速精准曝光的三维椭圆运动辅助装置。利用滑模变结构控制策略，提高了加工精度，实现了10mm以上的栅格结构大面积快速制造;2)提出了以提升双光子聚合加工效率为目标的拟静态曝光新方法，同时建立了扫描速度、振动幅值、振动频率、体元间距等参数之间的依赖模型。研究了拟静态曝光方法获得稳定结构的参数区间，并与连续扫描曝光方法的加工结果相对比，验证了拟静态曝光可提高加工效率;3) 建立了大行程运动平台的几何误差对体元位姿影响的映射模型，揭示了所形成的体元位姿误差对所构筑三维微纳结构成形精度的影响。采用误差补偿后的加工平台对尺寸达1mm×1mm的微流体结构进行了加工及检测，流道表面粗糙度均在100nm以下，验证了补偿后的加工平台具有较高的加工精度;4)通过将完整双光子聚合光学系统的衍射积分与ABCD矩阵相结合，研究了倾斜光束对体元位姿的主动控制方法，建立了光束偏转角度与体元位姿、体元尺寸的参数依赖模型，并提出了一种通过二维扫描振镜偏转光束对体元位姿误差进行补偿的方法;5)利用AMF数据模型对三维微纳结构进行了几何表达，开展了最优切片和路径规划研究,并实现了AMF文件格式的分层处理及路径规划。提出了一种基于特征方向的切片轮廓数据的自适应分层算法，对比自适应分层和等厚度分层的精度与效率，验证了所提出高精度快速分层处理技术的有效性。. 本研究为大面积三维超材料快速结构化提供了关键的理论基础和技术基础，对推动三维超材料在诸多受关注领域中获得突破性的工程应用具有重要意义。