近日，廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院周偉教授團(tuán)隊(duì)與香港理工大學(xué)超精密加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Chi Fai Cheung（張志輝）教授、王春錦助理教授合作，在透明聚合物材料高精度三維微結(jié)構(gòu)激光加工技術(shù)方面取得重要突破。團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)證驗(yàn)證了一種“模型驅(qū)動(dòng)三維動(dòng)態(tài)聚焦激光加工”（3D-DFL）新工藝，通過實(shí)時(shí)調(diào)控激光焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的高保真、高一致性制造。研究成果以題為“Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers”發(fā)表在機(jī)械制造領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture。

01

研究背景

透明柔性聚合物因其優(yōu)異的光學(xué)透明性、柔韌性和生物相容性，廣泛應(yīng)用于微流控芯片、柔性電子、功能表面和生物醫(yī)學(xué)等前沿領(lǐng)域。三維微結(jié)構(gòu)的引入可以顯著提升其機(jī)械性能、光學(xué)特性和流體動(dòng)力學(xué)性能，從而賦予材料一系列新功能。但由于其柔軟、易變形、導(dǎo)熱性差等特性，導(dǎo)致加工過程中常發(fā)生彈性回彈、熱積聚、工具粘附和結(jié)構(gòu)坍塌，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量和重復(fù)性。由此可見，在聚合物材料表面構(gòu)建高精度三維微結(jié)構(gòu)始終面臨巨大挑戰(zhàn)。

目前主流的模板復(fù)制法雖精度高，但流程復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)，難以滿足定制化和快速迭代的需求；3D打印和雙光子聚合等新興方法則在分辨率、適配材料范圍等方面仍存在權(quán)衡；傳統(tǒng)2D激光加工工藝焦平面固定，難以應(yīng)對(duì)因加工過程中焦點(diǎn)失配導(dǎo)致的能量沉積不準(zhǔn)確的問題。因此，亟需一種兼顧精度、效率與材料兼容性的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，以滿足透明柔性聚合物器件快速發(fā)展的迫切需求。

圖1 關(guān)鍵的科學(xué)問題與解決方案

02

研究?jī)?nèi)容

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通用的三維動(dòng)態(tài)聚焦激光（3D-DFL）微結(jié)構(gòu)制造策略。該策略通過實(shí)時(shí)調(diào)整激光焦點(diǎn)深度，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償加工過程中因結(jié)構(gòu)起伏產(chǎn)生的聚焦偏移，從而實(shí)現(xiàn)透明聚合物中高一致性、高保真度的三維能量沉積與微結(jié)構(gòu)制造。為支撐3D-DFL策略的實(shí)施，建立了激光燒蝕深度預(yù)測(cè)模型，適用于不同類型的激光與材料。此外，還系統(tǒng)性研究了動(dòng)態(tài)聚焦條件下的激光-材料相互作用機(jī)制，揭示了在透明介質(zhì)中焦點(diǎn)偏移對(duì)表面質(zhì)量、加工精度的影響。研究團(tuán)隊(duì)以聚合物材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）為代表性材料案例開展相關(guān)研究。具體內(nèi)容如下：

（1）三維動(dòng)態(tài)聚焦激光加工系統(tǒng)

本研究構(gòu)建了一套三維動(dòng)態(tài)聚焦激光加工系統(tǒng)（見圖2），采用1064nm紅外皮秒激光，先經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直，再由凹-凸透鏡組在線調(diào)節(jié)束散角，通過可調(diào)Z軸聚焦模塊實(shí)現(xiàn)±10?mm范圍內(nèi)的焦點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整。系統(tǒng)結(jié)合XY高速振鏡與F-Theta鏡頭，實(shí)現(xiàn)非接觸式、高精度三維微結(jié)構(gòu)加工，具備優(yōu)異的聚焦穩(wěn)定性與加工一致性。

圖2 3D動(dòng)態(tài)聚焦激光加工系統(tǒng)與原理：(a)系統(tǒng)設(shè)置示意圖；(b)動(dòng)態(tài)調(diào)焦的工作原理；(c)基于擬議激光制造裝置的三軸激光掃描系統(tǒng)的光路模擬結(jié)果

（2）傳統(tǒng)二維激光和三維動(dòng)態(tài)聚焦激光制造方法

在透明聚合物微結(jié)構(gòu)加工中，傳統(tǒng)2D激光工藝采用固定焦點(diǎn)，通過局部能量調(diào)控實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同深度的材料去除。這種方式能量分布不均，常導(dǎo)致邊緣呈階梯狀、結(jié)構(gòu)粗糙。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管2D激光能實(shí)現(xiàn)一定的三維形貌，但需復(fù)雜能量控制，且難以避免加工瑕疵。而新提出的3D-DFL技術(shù)則通過同步調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)高度，實(shí)現(xiàn)每一層精準(zhǔn)加工，保證激光能量均勻分布。與2D激光相比，3D-DFL在構(gòu)建錐形等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)展現(xiàn)出更高的光滑度與幾何精度，顯微鏡圖像也證實(shí)其邊緣清晰、無(wú)缺陷，展現(xiàn)出顯著的加工優(yōu)勢(shì)。

圖3 傳統(tǒng)2D激光和3D-DFL工藝對(duì)比：（a）固定焦平面2D激光制造工藝示意圖；（b）2D激光加工的錐形微結(jié)構(gòu)的軌跡示意圖（左）、3D視圖（右）和（c）SEM圖像；（d）3D動(dòng)態(tài)聚焦激光焦平面偏移過程示意圖；（e）3D激光制造錐形微結(jié)構(gòu)軌跡（左）、3D視圖（右）和（f）SEM圖像

（3）理論模型預(yù)測(cè)精度與制造精度

理論預(yù)測(cè)模型如式（1）所示：

式中，ω為束腰半徑、f為激光頻率、v為掃描速度、d_line為掃描線間距、P為激光功率、F_th為燒蝕閾值、α為材料吸收系數(shù)、ξ為修正系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)獲取材料燒蝕閾值與材料吸收系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)燒蝕深度。利用該預(yù)測(cè)模型在代表性聚合物材料PDMS和PET上進(jìn)行了驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)果的平均絕對(duì)百分比誤差（MAPE）分別為5.99%和2.68%（見圖4）。

團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)不同尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)，評(píng)估了3D動(dòng)態(tài)聚焦激光加工的精度。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)高度增加會(huì)帶來絕對(duì)誤差累積，但歸一化后，峰谷（PV值）誤差均低于8%、均方根（RMS）誤差低于3%，展現(xiàn)出優(yōu)異的加工精度（見圖5）。

圖4 理論模型預(yù)測(cè)精度分析：(a-c) PDMS材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值對(duì)比；(d-f) PET材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖5 制造精度誤差分析

（4）微結(jié)構(gòu)制造及應(yīng)用

為驗(yàn)證3D-DFL技術(shù)的靈活性與通用性，研究團(tuán)隊(duì)在具有不同材料屬性（如燒蝕閾值、吸收系數(shù)等）的聚合物基底PDMS和PET上，加工了多種類型的三維微結(jié)構(gòu)，包括凸起與凹陷結(jié)構(gòu)（見圖6–8）。該實(shí)驗(yàn)不僅展示了3D-DFL在多材料體系中的適應(yīng)能力，也對(duì)工藝穩(wěn)定性與理論模型的可遷移性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖6 PDMS基底上加工凸起和凹陷的不同類型的棱錐和棱臺(tái)微結(jié)構(gòu)

圖7 PDMS基地上加工復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)

圖8 PET基地上加工復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步證明所提出方法的實(shí)際可行性，展示了多個(gè)典型微結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例，涵蓋柔性傳感器、微流控與功能表面等領(lǐng)域（如圖9所示）。這些示例體現(xiàn)了方法在實(shí)際工程場(chǎng)景中的可擴(kuò)展性與適應(yīng)性，凸顯其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力。

圖9 使用3D-DFL方法制造的微結(jié)構(gòu)應(yīng)用：(a-c) 壓阻式壓力傳感器應(yīng)用；(d-f) 微流控芯片應(yīng)用；(g-h) 液滴操控應(yīng)用

本研究提出的3D-DFL技術(shù)為解決透明材料激光制造中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)提供了一種通用解決方案。不僅突破了柔性透明器件高質(zhì)量、定制化加工的技術(shù)瓶頸，還具備拓展至半透明陶瓷、生物材料等難加工材料的潛力。該制造技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于下一代可穿戴設(shè)備、智能傳感器和生物醫(yī)療等前沿領(lǐng)域。

03

研究相關(guān)

該論文以廈門大學(xué)為第一單位，廈門大學(xué)周偉教授、香港理工大學(xué)Chi Fai Cheung（張志輝）教授和王春錦助理教授為共同通訊作者。該論文第一作者是陳銳博士，現(xiàn)于香港理工大學(xué)超精密加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。

該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFB4604600）、國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（52325507）、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目（U21A20136）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（52205606）和香港理工大學(xué)項(xiàng)目（1-W383, 4-ZZSA, RMAN）的資助和支持。