维告试hp/www.cyvip.com 飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发 口陈小亮口任乃飞口王群 摘要:阐述了飞秽激光双光子聚合(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,给出初步实聆结果,提出系魷未来发展提升空间。 关键词:飞秒激光双光子吸收光聚合微细加工快速成形 中图分类号:TN249;TN205;TC665文献标识码:A 文章编号:1000-4998(2006)02-0027-04 Abstract: The principle of 3D micro rapid prototyping technology and system with femtosecond laser two-photon induced lymerization is presented. The two technological superiorities of the technology, characters of two-photon absorption, process of two-photon polymerization, characters of material and two-photon initiators are analyzed in detail. The effect of technological pa- rameters and the parameter optimization combination are analyzed and the experimental results Key words: Femtosecond Laser Two-photo Absorption Photopolymerization Micro-fabrication Rapid Prototyping 微快速原型是当今制造领域微细加工技术和快速技术的交叉融合,是当今高精尖技术之 原型技术(RPT两大热点的完美结合,飞秒激光双光 子聚合三维零件微快速原型技术是利用先进设备飞秒团TPP三维零件微快速成形系统搭建 激光( Femtoseconds laser)双光子聚合TPP( Two-Photon 成形系统的加工过程是通过X-Y平面内的光束 Polymerization)的光制造技术融合逐层( Layer-by-Layer)扫描,z方向的进给和不同位置对应的光束加工状态 的方式“重建”物体组件几何模型的思想进行微细加工(光束通断状态和通断时间)来实现光束在X-Y平 以达到数十纳米的高制造精度。它是机械工程学科中面的扫描和Z方向的进给是由压电式工作台实现精 微器件成形与材料科学、计算机科学、激光技术、聚合度20mm,激光通断则靠声光调制器实现,而加工时间 对 CSerialPort类的部分实现函数进行了改造。 程序编译及通信技术主要模块,并已在实践中得到应 ①改造写串口函数 CSerialPort:: WriteToPort()及用,在此基础上实现虚拟现实的数控车削加工系统是 CSerialPort:: Write Char(),通过指定要发送的长度,实今后研究工作的重点。 现ASCI文本和二进制数据发送方式兼容; 参考文献 ②修改 CSerialPort: Init Port()函数的实现增加1宋天麟,王春秀倪俊芳编著数控机床及使用与维护M 对流程控制方式及传输模式设定的处理。 南京:东南大学出版社,2003 发送文件时通过对话框选定文件,先读入缓冲区,2胡伦骏徐兰芳,刘建农编著编译原理M]北京:电子工业 再通过写串口函数进行发送,文件发送是否完成则通 出版社,2002 过 CSerialPort类的 WM- COMM_ TXEMPTY DETECTED3李现勇编著. Visual C++串口通信技术与工程实践(第二 消息来判断。 CSerialPort类是基于多线程的,启动串口 版)[M].北京:人民邮电出版社,2004 通信监测线程后,即开始监测各种串口事件,接收串口4龚建伟,熊光明编著. Visual c++/ Turbo C串口通信编程实 收到字符通过编写 WM COMM RXCHAR消息处理函 战[M].北京:电子工业出版社,2004 数完成,并在函数实现中对是否接收进行了控制。 编辑禾禾) B1结束语 作者单位;苏州大学机电工程学院 虚拟数控车削加工技术是先进制造系统研究的热邮政编码:江苏·215021 点之一,本文依据 FANUC-OTD数控系统,开发了数控收稿日期:2005年9月 \机械制造4卷第498期 206227
飞秒激光双光子聚合三维微细加工技术及系统研发 口 陈小亮 口 任乃飞 口 王 群 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。 关键词：飞秒激光 双光子吸收 光聚合 微细加工 快速成形 中图分类号：TN249iTN205；TG665 文献标识码 A 文章编号：1000—4998(2006)02—0027—04 Abstract：The principleof3D micro··rapid prototyping technology and system withfemtosecond lasertwo—·photon induced polymerizationispresented． Thetwotechnologicalsuperioritiesofthetechnology，charactersoftwo—photonabsorption，processof two—photonpolymerization，charactersofmaterialandtwo—photon initiatorsareanalyzed indetail． Theeffectoftechnologicalpa— rametersandtheparameteroptimizationcombinationareanalyzedandtheexperimentalresultsgiven． Thefuturedevelopmentdime— tionisproposed． K ey W ords：Fem tas econdLaser Two-photoAbsorption Photopolym erization M icro-fabrication RapidProtot3ping 微 快 速 原 型 是 当 今 制 造 领 域 微 细 ；~n-r-技 术 和 快 速 原型技 术 (RPT)两 大 热 点 的完 美 结合 ，飞 秒 激 光双 光 子聚合三 维零件 微快 速 原型 技术是 利用 先进 设备 飞秒 激 光 (Femtoseeondslaser)双 光 子 聚 合 TPP(Two．Photon Polymerization)的光 制 造 技 术 融 合 逐 层 (Layer，by—Layer) 的方 式 “重建 ”物 体组件 几何 模 型 的思想 进行 微细加 工 以达 到 数 十纳米 的高 制 造精 度 。它是 机 械工 程 学科 中 微器 件成 形 与材 料 科 学 、计 算 机科 学 、激 光 技术 、聚合 技术 的交叉 融合 ，是 当今 高精 尖技 术之 一 。 Ⅱ TPP三维零件微快速成形系统搭建 成形 系 统 的加工 过 程是 通过 X—Y平 面 内的光束 扫描 ，z方 向的进 给 和不 同位 置 对 应 的 光束 加 工 状态 (光束 通 断 状态 和通 断 时 间 )来 实 现 。光 束 在 一】，平 面 的扫描 和 z方 向的进 给 是 由压 电式 工作 台实现 ，精 度 20nm，激 光 通 断 则 靠 声 光 调 制 器 实 现 ，而 加 工 时 间 对 CSerialPort类 的 部 分 实 现 函 数 进 行 了 改 造 。 ① 改 造 写 串 口 函数 CSerialPort：：WfiteToPo~()及 CSer／alPort：：WriteChar()，通 过 指 定 要 发 送 的 长 度 ，实 现 ASCII文本 和二 进制 数据 发送 方式兼 容 ； ② 修 改 CSerialPort：：InitPort()函数 的 实现 ，增加 对流程控 制方 式及传 输 模式设 定 的处理 。 发送 文件 时通 过对 话框 选定 文件 ，先 读入缓 冲 区 ， 再 通 过写 串 口函数 进行 发 送 。文 件 发送 是 否完 成 则通 过 CSerialPort类 的 wM_!：OMM_TXEMvrY_DETECTED 消 息来 判 断 。CSerialPort类 是 基 于 多线 程 的 ，启 动 串 口 通 信 监 测 线 程 后 ，即 开 始 监 测 各 种 串 口事 件 ，接 收 串 口 收 到 字符 通 过 编 写 WM_COMM_RXCHAR消 息处 理 函 数 完 成 ，并 在 函数 实 现 中对 是 否 接 收 进 行 了控 制 。 日 结束语 虚 拟 数 控 车 削 加 工 技 术 是 先 进 制 造 系 统 研 究 的 热 点 之 一 ，本 文 依 据 FANUC一0TD数 控 系 统 ，开 发 了 数 控 机械制造44卷 498 程 序 编 译 及 通 信 技 术 主 要 模 块 ，并 已 在 实 践 中 得 到 应 用 ，在 此基 础 上 实 现虚 拟 现 实 的 数控 车 削加 工 系统是 今 后 研 究 工 作 的 重 点 。 参 考 文 献 1 宋天麟，王春秀，倪俊芳编著．数控机床及使用与维护【M】． 南京：东南大学出版社，2003 2 胡伦骏，徐兰芳。刘建农编著．编译原理 【M】．北京 ：电子工业 出版社，2002 3 李现勇编著．Visualc++串口通信技术与工程实践(第二 版)【M】．北京 ：人民邮电出版社，2004 4 龚建伟，熊光明编著．VisualC++／TurboC串El通信编程实 践 [M】．北京 ：电子工业 出版社．2004 △ (编 辑 禾 禾 ) 作 者 单 位 ：苏 州 大 学机 电 工 程 学 院 邮 政 编 码 ：江 苏 -215021 收 稿 日期 ：2005年 9月 2006 ／2 画 维普资讯 http://www.cqvip.com
维告试hp/ www Cyvip com 恐狀碧鹨^成畇 光路开关 单光子吸收 双光子吸收 佐宝石激光器 光强有效聚合区(单) 光强 衰减器 透镜滤光镜 分光镜〖计算机 显微物镜 可 成形试样 压电式XYZ扫描工作台匹 工作台控制卡 位置 口光源 聚合光强域值|as 聚合光强域值l山mA ▲图1飞秒激光双光子聚合制作三维零件微快速原型系统原理图 ▲图2双光子吸收和单光子吸收示意图 和一定频率下的加工脉冲数是一致的。3个方向上的运量难以通过扩散途径逸出辐照区,激光与物质相互作 动和激光束的通断状态与通断时间都受CAD/CAM的范围被严格界定,故热影响区小,实现精密加工 软件控制。成形系统的加工原理图如图1所示。 ②飞秒激光超强特性提供极高的瞬间功率,达到 平面扫描结合光束作逐点加工,直到同一高度加GW级,触发双光子吸收(Two- photon Absorption,TPA)。 工完毕,而后再纵向进给加工下一层面逐层累计,即双光子吸收使得利用低能量长波长的近红外光(1R)成 利用这种“积分”式的加工形式最终可以得到三维的微为可能,通常在800mm左右,线性吸收及 Rayleigh散 型结构,实现复杂形状固体自由微型制造, 射都比较小,激光在介质中的穿透性好,对大部分介质 从设计到立体结构加工完毕,该系统完全依靠都是透明的,光束几乎可以毫无衰减地到达材料内部 CAD/CAM技术来实现其原理和SLA相类似:先设计的聚焦点,从而实现材料内部三维空间上任意部位的 三维立体结构模型,再对其进行层切处理,转化为一系深层次超精细加工。 列层状平面,每一层面含有立体结构对应高度截面上 ③聚合反应速度快,同等光子密度条件下双光子 的轮廓信息。结构设计信息和加工信息都包含在系统的聚合成形速度是单光子激光聚合速度的平方。双光 的CAD/CAM软件之 子聚合反应的引发速率、增长速率与光强平方成正比 2TPP三维零件微快速成形技术 连续光源(或单光子)聚合反应则仅是线性增长。 ④双光子非线性吸收激发的有效作用体积小,可 (1)发展现状2002年法国 Irene Wang实现了雕以完成物质体内的定点操作,空间分辨率高。双光子吸 刻分辨率为纳米级的1欧元硬币。日本大阪大学Kawa-收几率与入射光强的平方成正比,每层的净激发与该 a研究小组雕刻出一个红细胞大小(10m长、7um层距离焦点的平方成反比。如图2所示,双光子加工有 高)的公牛像,并在三维微流道的直接刻写成形技术独效光斑区远小于激光波长衍射的尺寸,具有空间选择 具优势,采用6光子近红外激光派以获得更高的加工精“点”聚合能力,使成形精度达到衍射极限的35%约几 度韩国开发了应用纳米复印(nRP)和真空压力差分纳米级191。而单光子聚合在光线通过的地方都会发 技术进行聚二甲硅氧烷模复制的制程,是微制造领域生聚合反应,是整体或面上的聚合。 中的快速原型与快速制模技术并在nRP技术的轮廓 ⑤基于快速成形技术,借鉴快速成形制造技术思 偏移算法(COA)上展开研究,以提高成形精度1314。 路。将三维实体分解成二维,逐层加工、堆积成形可以 南京理工大学制作了国内第一台微小机械光成形制作出中空截面相连通的零件和结构,直接从3DCAD 实验系统,采用光源为紫外激光器,成形精度可以达模型得到物理实体模型。 到:总体尺寸约为1cm以下,零件最小长度在10μm左 (3)双光子聚合工艺 右s。北京大学物理系的中型物理国家实验室对双光 ①TPP工艺流程及相应聚合原理主要有两种 子聚合微制造,成形直线在不同的聚焦高度、激光能量方式:1)负胶工艺,双光子吸收触媒触发催化低聚体聚 波动、扫描速度下相应保持平直、发生弯曲起皱、漂移合或聚合链交接耦合,未曝光的部分通过显影除去, 现象的机理以及对双光子聚合微制造成形的影响展开TPA曝光部分留下,即为所需实体结构;2)正胶工艺, 双光子吸收光酸发生器产生酸分子使聚合侧链脱离和 (2)技术优势 断裂的无规则降解,分子量变低,曝光部分材料将会 ①飞秒激光超快特性克服传统激光微加工技术热在溶液显影时被除去,留下中空结构两者的工艺 影响区限制加工精度的缺陷。热影响区D=κp2,其流程示意图如图3所示。 中K为材料传热系数,T为脉宽。飞秒光聚合反应过 ②TPP加工工艺的主要影响因素 程小于1n,热传导距离小,即在极短时间内注入的能 1)成形分辨率与固化单元,单元微机械加工中的 2006/2 机械制造44卷第498期战
和 一 定 频 率 下 的加 工 脉 冲 数 是 一 致 的 。3个 方 向 上 的 运 动 和激 光 束 的通 断状 态 与 通 断 时 间 都 受 CAD／CAM 软件 控制 。成形 系统 的加 工 原理 图如 图 1所 示 。 平 面 扫 描 结合 光 束 作 逐 点加 工 ，直 到 同一 高 度 加 工 完 毕 ，而 后 再 纵 向 进 给 加 工 下 一 层 面 。逐 层 累 计 ，即 利用 这种 “积 分 ”式 的加 工形 式 最终 可 以得 到三 维 的微 型结 构 ，实 现 复杂形 状 固体 自由微型 制造 。 从 设 计 到 立 体 结 构 加 工 完 毕 ，该 系 统 完 全 依 靠 CAD／CAM技 术来 实 现 。其 原 理 和 SLA相类 似 ：先设 计 三 维 立 体 结 构 模 型 ，再 对 其 进 行 层 切 处 理 ，转 化 为 一 系 列 层状平 面 ，每一 层 面 含 有 立体 结 构 对 应高 度 截 面上 的 轮 廓 信 息 。结 构 设 计 信 息 和 加 工 信 息 都 包 含 在 系 统 的 CAD／CAM 软 件 之 内 11。 目 TPP三维零件微快速成形技术 (1)发 展 现 状 2002年 法 国 IreneWang实 现 了雕 刻分辨率 为 纳米级 的 1欧 元硬 币 。日本 大阪 大学 Kawa． ta研 究 小 组 雕 刻 出 一 个 红 细 胞 大 小 (10 m 长 、7 m 高 )的公 牛像 ，并在 三维 微 流道 的直 接刻 写成 形技 术独 具 优势，采用 6光子 近红 外激 光 源 以获得 更高 的加 工精 度 n】。韩 国开 发 了应用 纳米 复 印 (nRP)和真空 压力 差分 技 术进行 聚 二 甲硅 氧烷 模 复 制 的 制程 ，是微 制 造领 域 中 的快 速原 型 与快 速 制模 技 术 。并 在 nRP技术 的轮廓 偏 移算法 (COA)上 展开 研究 ，以提高 成形 精度 ……。 南京理 工 大学 制作 了 国 内第 一 台微 小机 械光 成形 实 验 系统 ，采 用 光 源 为 紫 外 激 光 器 ，成 形 精 度 可 以达 到 ：总 体 尺 寸 约 为 1cm 以 下 ，零 件 最 小 长 度 在 10 m 左 右 I 。北 京 大 学 物 理 系 的 中 型 物 理 国 家 实 验 室 对 双 光 子 聚合微 制造 ，成形 直线 在 不 同 的聚焦 高度 、激 光能量 波 动 、扫 描 速 度 下 相 应 保 持 平 直 、发 生 弯 曲起 皱 、漂 移 现 象 的 机 理 以及 对 双 光 子 聚 合 微 制 造 成 形 的 影 响 展 开 研 究 ‘。 (2)技 术 优 势 ① 飞秒 激光 超快 特性 克 服传 统 激光 微加 工技 术热 影 响 区限制 加 工 精 度 的缺 陷 。热影 响 区 D= ，其 中 ，c为材料 传 热 系 数 ，．r为 脉 宽 。飞 秒 光 聚 合 反应 过 程小 于 1ns，热传 导距 离 小 ，即在极 短 时 问 内注 入 的能 100~／2 量 难 以 通 过 扩 散 途 径 逸 出辐 照 区 ，激 光 与 物 质 相 互 作 用 的范 围被严格界 定 ，故 热影 响区小 ，实 现精密加 工 [71。 ② 飞 秒 激 光 超 强 特 性 提 供 极 高 的 瞬 间 功 率 ，达 到 GW 级 ，触 发 双 光 子 吸 Ilk(TwophotonAbsorption，TPA)。 双 光 子 吸 收 使 得 利 用 低 能 量 长 波 长 的 近 红 外 光 (IR)成 为 可 能 ，通 常 在 800nm左 右 ，线 性 吸 收 及 Rayleish散 射 都 比较 小 ，激 光 在介 质 中 的穿透 性好 ，对大 部分 介质 都 是 透 明 的 ，光束 几 乎 可 以毫无 衰 减地 到达 材 料 内部 的聚 焦 点 ，从 而 实现 材 料 内部 三维 空 间上 任 意 部位 的 深 层 次 超 精 细 加 工 。 ③ 聚 合 反应 速 度 快 ，同等 光 子 密 度 条件 下 双光 子 的 聚 合 成 形 速 度 是 单 光 子 激 光 聚 合 速 度 的 平 方 。双 光 子聚合 反应 的引发 速率 、增 长速 率 与光 强平 方成 正 比 ， 连 续光 源 (或单 光子 )聚合 反 应则 仅 是线 性增 长 ¨】。 ④ 双 光 子非 线 性 吸收 激 发 的 有 效作 用 体 积 小 ，可 以完成 物 质体 内 的定 点 操作 ，空 间 分辨 率 高 。双 光子 吸 收几 率 与 入射 光 强 的平 方成 正 比 ，每层 的净激 发 与 该 层 距 离 焦 点 的 平 方 成 反 比 。如 图 2所 示 ，双 光 子 加 工 有 效 光 斑 区 远小 于 激光 波长 衍 射 的 尺 寸 ，具 有空 间选 择 “点 ”聚 合 能 力 ，使成 形 精 度 达 到衍 射极 限的35％ 约 几 十纳 米 级 I9。而单 光 子 聚合 在 光 线 通 过 的地 方 都 会 发 生 聚合 反应 ，是整 体 或 面上 的聚合 。 ⑤ 基 于 快 速成 形 技术 ，借 鉴 快 速成 形 制 造 技术 思 路 。将 三 维 实 体 分解 成 二 维 ，逐 层 加 工 、堆 积 成 形 可 以 制作 出 中空 截面 相连 通 的零 件 和结 构 ，直接 )A3DCAD 模 型得 到物 理实 体模 型 。 (3)双 光 子 聚 合 工 艺 ① TPP工艺 流 程 及 相 应 聚 合 原理 主 要 有 两 种 方 式 ：1)负 胶 工 艺 ，双 光 子 吸 收 触 媒 触 发 催 化 低 聚 体 聚 合 或 聚 合 链 交 接 耦 合 ，未 曝 光 的 部 5-2"通 过 显 影 除 去 ， TPA 曝光 部 分 留下 ，即 为所 需 实 体 结 构 ；2)正 胶 工 艺 ， 双 光子 吸 收光酸 发生 器产 生 酸分 子使 聚合侧 链 脱 离和 断 裂 的无 规 则 降解 ，分 子量 变 低 ，曝 光 ~ ／d-~e)t料 将 会 在 溶 液 显 影 时 被 除 去 ，留下 中 空 结 构 ¨ 。两 者 的工 艺 流 程 示 意 图 如 图 3所 示 。 ⑦ TPP加 工工 艺 的主要 影 响 因素 1)成 形 分 辨率 与 固化 单 元 ，单 元微 机 械 加 工 中的 机械制造44卷 第498期 维普资讯 http://www.cqvip.com
维告试hp/ www Cyvip com 巫狀超鹨。砖區 个重要指标是分辨率。在快速成形制造中,把它区分 为扫描分辨率及成形分辨率。成形分辨率是指成形的 ①通过TPE充分有效激发化学效能的机理,根据 最小单位;扫描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。 Cumpston等的理论,强的电子给体可以使共轭体系电 在微光成形系统中引入光固化单元的概念:光固化单子态比较宫裕,当分子吸收2个光子后,可将电子传给 元是指一个激光斑点照射在光敏树脂上所固化的树脂较弱的电子受体,通过分子内电荷转移,使整个分子呈 体积,固化单元越小,成形分率越高。2)光束扫描,光现富电子态,电荷转移到一定程度以后,就可以向周围 栅扫描是点成形,使激光束按一组平行光进行扫描,光的受电子单体“抛”出1个电子,从而引发聚合反应。即 柬按开闭方式控制,以此来得到任意的二维形状,分辨利用光化学的方法产生的自由基或离子,引发聚合。 率较高;矢量扫描,沿成形特征轮廓进行扫描。3)切片 通过 Saeva的电化学和光学研究,D--D结构的 方式,CAD模型直接切片,减少切片误差。4)液面控制触发剂BSB-S2具有足够的电子供应能力,以及一级激 方式,液面控制分自由液面式(一般的RPM系统采用发态电子具有足够的能量触使电子迁移,生成H'。 自由液面式)和约束液面式两种。约束液面由于排除了 PAG+h→H副产品,其自由能 液面表面张力的影响,有利于垂直分辨率的提高,适合 △G=E(Don’/Don)-E(Ac/Acc-)-E.<0 于微小器件、结构的制作4。 降低聚合能域值Pa,Pa和触媒的聚集度成反 ③TPP加工的选用材料 比,触媒浓度越高,Pa值越低,使得激光能量的选择远 1)成形材料光敏树脂主要有以下几种:③有/无低于材料破坏极限P,增大Pb/P0,表1是不同触媒 机混合聚合物;①环氧树脂;⊙SCR系列树脂一一丙的光敏树脂光敏度对比。 烯酸酯、氨基甲酸乙酯的单体及低聚体;@聚甲基丙烯 ④TPP工艺参数优化 酸甲酯,有机玻璃,陶瓷/有机聚合物覆膜材料等。 1)TPP工艺参数 2)阳离子触媒PAG( Photoacid Generator)光酸发 ④材料配比及触发剂的选择p、p 生器在TPE作用下有足够的活性,可以用来作为酸敏 ①激光参数特性选择—l0、T、、A、NA。 成形材料制作高精度3D微结构的触发剂。其分子具有 ⑨扫描速度 ,曝光时间t=2t/,有效作 极强的双光子吸收特性,是传统紫外光触媒吸收的50用时间 effeetive=fTt 倍,产生大量的光化学反应,生成触发所需的酸性分子 参数符号:ps为自由基浓度域值;p为触媒初始 (dH≈0.5)。高效触发剂性能要求及触发机理如下。a2为有效双光子吸收截面;l为光强峰值;r为脉冲周 具有较大的TPA吸收截面积,D-mD/I 期;为脉冲频率;λ为波长;MA为透镜数值孔径 丌-D(丌-共轭键桥,D-电子给体,A-电子受体)等分子 2)TPP工艺优化建立参数优化理论模型:双光 结构的双光子吸收剂,通过增加共轭键的长度和电子子吸收过程中,单位时间内吸收的光子数与触媒浓度 给体或受体的推拉电子能力,可以增强分子内对称电M成正比和光子流量N平方成正比,故自由基双光子 荷转移的程度,使其具有较大的双光子吸收截面(已有引发速率为R=Mσ2N。触媒实时浓度M为触媒初始 报道:当λ=670mm时,δm=1300×10cm‘phot-浓度p减去反应耗去的触媒(数值上等于生成自由基 的浓度p)即M=p-P;N=/(h)所以=(m-p) 配以触发剂量的光 敏案合薄层或液体 a2()2,由t=0时活性自由基p=0,对等式积分得 树脂 P=Po[ 1-exp(-c2(1-)2teffective) 红色/近红外激光束 高倍聚焦透镜 TPP/TPIP条件:自由基浓度p≥p则有 发生TPA区域 np Im-p0-- 高斯激光特性:激光束束腰w=2A/(mNA);瑞 利长度z=4n/(TMA2);r(r)=lexp[-2(r/wo)2] (x)=l6/[1+(z/z)2];代入,可得 1wo In( 6) 显影 (h)2 正胶工艺 ▲图3TPP加工工艺基本流程示意图 其中D=72po-Pm 小\与机械制造44卷第498期 2006/2
一 个 重 要 指 标 是 分 辨 率 。在 快 速 成 形 制 造 中 ，把 它 区 分 为 扫描 分 辨率 及 成形 分 辨 率 。成 形 分 辨率 是 指成 形 的 最 小单位 ；扫描 分辨 率则 指扫 描 机构移 动 的最小 距离 。 在 微光 成形 系 统 中 引入 光 固化单 元 的概 念 ：光 固化单 元 是指一 个激光 斑 点照射 在 光敏树 脂 上所 固化 的树脂 体 积 ，固化 单元 越小 ，成形 分 辨率 越高 。2)光 束扫 描 ，光 栅 扫描是 点成形 ，使 激光 束按 一组 平行 光进 行扫 描 ，光 束 按 开 闭 方 式 控 制 ，以此 来 得 到 任 意 的 二 维 形 状 ，分 辨 率 较 高 ；矢 量 扫 描 ，沿 成 形 特 征 轮 廓 进 行 扫 描 。3)切 片 方 式 ，CAD 模 型 直 接 切 片 ，减 少 切 片 误 差 。4)液 面 控 制 方 式 ，液 面 控 制 分 自 由 液 面 式 (一 般 的 RPM 系 统 采 用 自由 液 面 式 )和 约 束 液 面 式 两 种 。约 束 液 面 由 于 排 除 了 液 面表面 张力 的影 响，有 利于 垂直 分辨 率 的提高 ，适合 于 微 小 器 件 、结 构 的 制 作 H1。 ③ TPP加工 的选 用 材料 1)成形 材料 光 敏 树 脂 主要 有 以下 几 种 ：④ 有 ／无 机混 合 聚 合 物 ；⑧ 环 氧 树 脂 ；④ SCR系列 树 脂 —— 丙 烯酸酯 、氨基 甲酸 乙 酯的单 体 及低 聚体 ；⑧聚 甲基 丙烯 酸 甲酯 ，有 机 玻 璃 ，陶 瓷 ／有 机 聚 合 物 覆 膜 材 料 等 。 2)阳 离 子 触 媒 PAG(PhotoaeidGenerator)光 酸 发 生 器 在 TPE作 用 下 有 足 够 的 活 性 ，可 以 用 来 作 为 酸 敏 成形材 料制作 高 精度 3D微 结构 的触 发剂 。其分 子具 有 极 强 的 双 光 子 吸 收 特 性 ，是 传 统 紫 外 光 触 媒 吸 收 的 50 倍 ，产 生 大 量 的 光 化 学 反 应 ，生 成 触 发 所 需 的 酸 性 分 子 f4,n 0．5)。高效 触 发剂 性能要 求 及触发 机理 如下 。 )具 有 较 大 的 TPA吸 收 截 面 积 6，D一盯一D ／D一叮T—A一 丌一D (盯一共轭 键 桥 ，D一电子 给体 ，A一电子受 体 )等分 子 结 构 的 双 光 子 吸 收 剂 ，通 过 增 加 共 轭 键 的 长 度 和 电 子 给体 或受 体 的推 拉 电子 能力 ，可 以增 强 分子 内对称 电 荷转移 的程度 ，使 其具 有较 大 的双光 子 吸收截 面 (已有 报 道 ：当 A=670nm 时 ，占 =1300 X10 。。cm phot 机械制造44卷 第498期 on 【1。1)。 ⑤ 通过 TPE充 分 有 效激 发 化 学 效 能 的机 理 ，根据 Cumpston等 的理 论 ，强 的 电子 给 体 可 以使 共 轭 体 系 电 子 态 比 较 富裕 ，当 分 子 吸 收 2个 光 子 后 ，可 将 电 子 传 给 较 弱 的 电 子 受 体 ，通 过 分 子 内 电 荷 转 移 ，使 整 个 分 子 呈 现 富 电 子 态 ，电 荷 转 移 到 一 定 程 度 以后 ，就 可 以 向周 围 的 受 电 子 单 体 “抛 ”出 1个 电 子 ，从 而 引 发 聚 合 反 应 。即 利 用 光 化 学 的 方 法 产 生 的 自 由基 或 离 子 ，引 发 聚 合 。 通 过 Saeva的 电 化 学 和 光 学 研 究 ，D一盯一D 结 构 的 触 发剂 BSB—s2具有 足 够 的 电子供 应能 力 ，以及一 级 激 发 态 电 子 具 有 足 够 的 能 量 触 使 电子 迁 移 。生 成 H 。 PAG + — H 副 产 品 ，其 自 由能 ： △G=E(Don ／Don)一E(Acc／Acc一)一E…<O。 @ 降 低 聚合 能 域 值 JP JP 和 触 媒 的聚 集 度成 反 比，触 媒浓 度越 高 ，JP 值 越 低 ，使 得激 光 能量 的选 择远 低 于 材 料 破坏 极 限 JP。，增 大 P ／Po，表 1是 不 同触 媒 的光敏树 脂光 敏度 对 比。 ④ TPP工艺 参数 优化 1)TPP工 艺 参 数 ④ 材料配 比及 触发 剂 的选择 ——pm、Po、0-2。 ⑧激 光参 数特 性选 择—— ，0、 、 、A、NA。 ⑥ 扫 描 速 度— — 曝 光 时 间 t=2W。／ 有 效 作 用 时 间 t。 = 7-。 参 数符 号 ：P 为 自由基 浓度 域 值 ；Po为 触媒 初 始 ； 0-2为 有 效双 光子 吸 收截 面 ；，0为光 强 峰值 ；7-为脉 冲周 期 ； 为脉 冲频率 ；A为波 长 ；NA为透 镜数 值 孔径 。 2)TPP工 艺 优 化 建 立 参 数 优 化 理 论 模 型 ：双 光 子 吸 收过 程 中 ，单 位 时 间 内吸 收 的光 子 数 与 触媒 浓 度 成 正 比 和 光 子 流 量 Ⅳ 平 方 成 正 比 ，故 自 由基 双 光 子 引发 速率 为 R；Mcr2N2。触媒 实 时浓 度 为 触媒 初始 浓 度 P。减 去 反应 耗 去 的触 媒 (数 值 上 等于 生 成 自由基 的浓度p)P~PM=po—P；N I／(hv)所以誓 ：(P。一P) 0"2( )，由 =o时活 性 自由基 P=0，对 等式 积分 得 ： P=p0【1一exp(一0-2( )teffcve)】 TPP／TPIP条 件 ：自 由基 浓 度 P≥ Pm则 有 ， 1／O生-~tJp下 ln—po—0-p一 高 斯 激 光 特 性 ：激 光 束 束 腰 Wo=2A／(丌NA)；瑞 利 长 度 R=4nA／(1TⅣA )；I(r)=loexp[一2(r／wo)】； I()=，0／【1+(z／zR)】；代 入 ，可得 ： r≤ 吉叫0√·n()；≤z(√告一 其 中 D： ln—旦U_ 2006／2 回 维普资讯 http://www.cqvip.com
维告试hp/ www Cyvip com 现狀^鹨^感 表1不同触媒的光敏树脂光敏度对比度 1虞刚,虞和济集成化激光智能加工工程[M].北京:冶金工 动态域Pa/P 业出版社,2000 ⅣⅤ紫外光触媒 2 K. Sugioka, M. Masuda, T. Hongo, et al. Three-dimensional 双光子D-D Micro-fluidic Structure Embedded in Photostructurable Glass by one(纯树脂)不能聚合 10 Femtosecond Laser for Lab-on-chip Applications[ J]. Applied 所以可得固化单元:(,D)=-m(倍 Physics A-Material Science Processing, 2004, 79: 815-817 Sang Hu Park, Tae Woo Lim, Dong- Yol Yang et al. Fabrication 停 of PDMS Replica Using Nano Replication Printing Process and 功率与扫描速度的优化组合见表2。 Vavuum Pressure-differnce Technique[JI. Bulletin of the Korea Chemical Society, 2004, 25(8): 1119 -1120 表2功率与扫描速度两种典型组合及其特征 4 Kaist, ac kr, Shin, Wook Yi, Hong Jin Kong. Contour Ofset Alg- 组合激光扫描加工扫描 orithm(COA)in Nano Replication Printing(nRP)for Fabricat 形式功率速度时间 路径 造型 ing Nano-Precision Features[ C]. the 2nd International Sympo IEM小慢 复杂侧壁 on Nanomanufacturing KAIST, Daejeon, Korea, 2004: 354+359 HIEM ”大截面、Z尺寸要求不高 5张维一,侯丽雅.光成型技术在微小机械加工中的应用[J 高技术通讯,200,(3):65-69 3]初步的实验结果 6 Fengjie Qi, Yan Li, Hengchang Guo et al. Wavy Lines in Two. 江苏大学超快和纳 photon Photo-polymerization Micro-fabrication[J]. Optics Ex 尺度科学与工程技术研 pres2004,12(20)4725~4730 究中心利用飞秒激光双 7 Alberto Diaspro, Mauro robello. Two-photon Excitation of Fluo- 光子微加工技术制得江 rescence for Three-dimensional Optical Imaging of Biological 苏大学英文缩写UJs字 Structures[J] Journal of Photochemistry Photobiology B: Biology, 母的微结构,宽10μm,高 如图4所示 ▲图4江苏大学英文缩写 8 Karl Garsha Enabling High Precision Nonlinear 3-dimensional Photo-processing of Premeditated Designs on a Conventional Mul- 4系统提升空间 tiphoton Imaging System[C]. Proceedings of the Intematinal Soci- ety for Optical Engineeing, 2004 ①软件优化,切片分层软件,对现有RP分层算法9 Ying-Ja Chen, Yi-Chun Chen, Chau-Hwang Lee et al. High-aspect 进行优化和改进,探索其在微器件制造中的使用性。 ②硬件优化,新型、良好性价比的先进高精度控制 ratio Sub-diffraction-limit Objects Fabricated with Two-photo- 工作台,釆用近场显微探针,与近场显微加工技术相结 bsorption Photo-polymerization[ C l. The Conference on Lasers and Electro-Optics, 2002 合,打破以前经典(或远场)光学阿贝衍射极限A/2 10 Christopher Coenjarts, Christopher Ober, Michal Lipson. Lithogra ③新成形材料(材料收缩特性研究)及其高效触发 phic Approaches to 2-D and 3-D Structures for Photonics Applic- 剂的研发。 ations[C]. Project Summaries and Presentations of Cornell Univ- ④寻求有效控制触媒生成H·的扩散效应的技术, ersity. Ithaca, NY, 2004 提高成形精度。 11 Chengde Li, Le luo, Shufeng Wang. 51结束语 polymerization Initiated by a Coumarin Derivative/iodonium Salt System[J]. Chemical Physics Letter, 2001, 340:444 双光子飞秒激光在许多材料的高质量微细加工方12 Myung-Ae Chung, KwangSup Lee. Two-Photon Absorption Cross 面已显示独特优势,其中较为突出的就是飞秒激光双 Sections of Dithienothiophene-Based Molecules[J] Journal of the 光子聚合三维零件微快速原型技术,以其不需要模具 Electronics and Electronics and Telecommunications Research 或光罩,激光扫描直接刻写制作几何形状复杂之三维 2002,24(3):221~225 组件和成形尺寸小于光斑和波长衍射极限的高精度两 (编辑凌云) 大特色而引人注目,国内外对飞秒激光微加工给予日 益俱增的关注,其潜在市场大,技术提升发展的空间十作者单位:江苏大学数宇化制造研究所 邮政编码:镇江·212013 参考文献 收稿日期:2005年9月 130206/2 机械制造44卷第49期战
表1 不 同触媒 的光敏树脂光敏度对 比度 所 以可 得 固 化 单 元 Ir_(，0，￡)= 1 )一(厝-1) 功 率 与 扫 描 速 度 的 优 化 组 合 见 表 2。 表2 功率与扫描速 度两种典型组台殛其特征 日 初步的实验结果 江 苏 大 学 超 快 和 纳 尺 度 科 学 与 工 程 技 术 研 究 中 心 利 用 飞 秒 激 光 双 光 子 微 加 工 技 术 制 得 江 苏 大 学 英 文 缩 写 UJS字 母 的微结 构 ，宽 10 m，高 20 m，如 图 4所 示 。 日 系统提升空间 燃础醴嘲j躐 隧 i 翔 垦 嗣 一_鞴 图 ■％ 4 I 啊帽■啊 江 _E 苏 ■魁■ 大 日用 学 _ 糊圈暇黼 文 髓 缩 暖嘲 写 ’璧 ① 软 件优 化 ，切 片分 层 软 件 ，对现 有 RP分层 算 法 进行 优化 和改进 ，探 索其 在微 器件 制造 中 的使 用 性 。 ② 硬件 优 化 ，新 型 、良好 性价 比的先 进高 精度 控制 工 作 台 ，采 用 近 场 显 微 探 针 ，与 近 场 显 微 加 工 技 术 相 结 合 ，打 破 以 前 经 典 (或 远 场 )光 学 阿 贝 衍 射 极 限 A／2。 ③ 新成 形材 料 (材料 收缩 特性 研究 )及 其 高效触 发 剂 的 研 发 。 ④寻求 有效 控制 触媒 生成 H 的扩散 效应 的技 术 ， 提 高 成 形 精 度 。 目 结束语 双光子 飞 秒激光 在许 多材 料 的高 质量 微 细加 工方 面 巳显 示独 特 优 势 ，其 中 较 为 突 出的 就是 飞 秒激 光 双 光 子 聚合三 维 零 件微 快 速 原 型技 术 ，以其 不 需要 模 具 或 光 罩 ，激 光 扫描 直 接 刻 写制 作 几何 形状 复 杂 之 三维 组 件和成 形 尺寸 小于 光斑 和波 长衍射 极 限 的高精 度两 大 特 色 而 引 人 注 目 ，国 内 外 对 飞 秒 激 光 微 加 工 给 予 日 益 俱 增 的 关 注 ，其 潜 在 市 场 大 ，技 术 提 升 发 展 的 空 间 十 分 广 阔 。 参 考 文 献 2O06／2 1 虞刚，虞和济．集成化激光智能加工工程【M】．北京：冶金工 业 出版社 ，200o 2 K．Sugioka，M．Masuda，T．Hongo。eta1．Three-dimensional Micro—fluidicStructureEmbeddedinPhotostructurableGlassby FemtosecondLaserforLab-on-chipApplications[J】．Applied PhysicsA-Material Science& Processing，2004，79：815—817 3 SangHuPark，TaeW ooLim，Dong-YolYangeta1．Fabrication ofPDMSReplicaUsingNanoReplicationPrintingProcessand VavuumPressure-differnceTechnique【J】．BulletinoftheKorea ChemicalSociety，2004，25(8)：1119—1120 4 Kaist．ac．kr，Shin，WookYi，HongJinKong．ContourOfsetAlgorithm (COA)inNanoReplicationPrinting(nRP)forFabricat— ingNano-PrecisionFeatures[C]．the2ndInternationalSymposium onNanomanufacturing．KAIST，Daejeon，Korea。2004：354—359 5 张维一，侯丽雅．光成型技术在微小机械加工中的应用[JJ． 高技术通讯 ，2000，(3)：65 69 6 FengjieQi，YanLi，HengehangGuoeta1．WavyLinesinTwo， photonPhoto—polymerizationMicro-fabrication【J】．OpticsExpress，2004，12(20)4725～4730 7 AlbertoDiaspro，MauroRobe11o．Two-photonExcitationofFluo— resceneeforThree·dimensionalOpticalImagingofBiological Structures【J】．journalofPhotochemistryPhotobiologyB：Biology， 2005，55(1) 8 KarlGarsha．EnablingHighPrecisionNonlinear3-dimensional Photo-processingofPremeditatedDesignsonaConventional Mul·· tiphotonImagingSystem[C】．PmceedingsoftheInternatinalSocietyforOpticalEngineeing，2004 9 Ying—JaChen，Yi-ChunChen，Chau-HwangLee．eta1．High-aspectratioSub—·difraction-·limitObjectsFabricatedwithTwo-photoabsorptionPhoto—polymerization【C】．TheConferenceonLasers andElectro—Optics，2002 10ChristopherCoenjarts，ChristopherOber，MichalLipson．Lithogra— phicApproachesto2-Dand3-D StructuresforPhotonicsApplic— ations[C]．ProjectSummariesandPresentationsofComellUniverslty．Ithaca，NY，2004 11 ChengdeLi，Le Luo，ShufengWang．Two—photoMierostrueturepolymerizationInitiatedbyaCoumarinDerivative／iodonium Salt System[J]．ChemicalPhysicsLetter,2001，340：444—448 12 Myung-AeChung，Kwang-SupLe e．Two-PhotonAbsorptionCross SectionsofDi【hieno【hiophene-BasedMolecules[J】．Journalofthe ElectronicsandElectronicsandTelecommtmicationsResearch， 2002，24(3)：221—225 △ (编 辑 凌 云 ) 作 者 单 位 ：江 苏 大 学 数 字化 制 追 研 究 所 邮 政 编 码 ：镇 江 ·212013 收 稿 日期 ：2005-~-9月 机械制造44卷 第498期 维普资讯 http://www.cqvip.com