45°光纤微反射镜聚焦离子束加工及多轴位移检测研究

聚焦离子束加工作为一种微纳加工手段,可以用来制造纳米元件和微结构元件。研究了在多芯光纤的末端,使用聚焦离子束加工技术设计和制造45°镜面的全过程。该光学镜面由两步加工完成,首先是扫描过程,用来制造粗糙的切割面;然后是抛光过程,用来完成光学表面的光洁处理。加工完成的45°镜面可以准确地与光纤的纤芯对接,避免了外部转向镜组件对接的相关问题。实验测试表明,加工的结构可以通过干涉测量两个垂直轴向的位移值,检测位移测量范围大致为60 μm,X和Y方向的均方根绝对测量误差约为1.75‰和1.97‰。该技术有望用于精密零件内表面、血管内壁等检测领域。     

冲击波实验用铝楔形靶加工技术

采用单点金刚石车削技术制备加工铝楔形靶,发现金刚石车削加工楔形靶实际轮廓为圆锥面。通过Veeco NT1100白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量,结果表明平面部分表面粗糙度小于50 nm,最大峰谷值小于100 nm,斜面部分表面粗糙度小于200 nm。分析认为斜面部分粗糙度测量数值较大是由刀具工作角度变化导致的,而测量轮廓线非圆锥体母线又导致粗糙度测量结果大于实际值。     

基于激光散斑成像的零件表面粗糙度建模

表面粗糙度是衡量机械表面加工水平的重要参数. 通过构建一套激光散斑成像采集系统, 获取了不同表面加工类型和不同粗糙度值的零件表面激光散斑图像. 应用Tamura纹理特征理论提取图像的纹理粗糙度、对比度、方向度特征, 并分析了这三个特征与表面粗糙度的关系. 发现了纹理粗糙度特征与表面粗糙度的单调关系, 推导出平磨、外磨、研磨三种表面加工工艺的粗糙度值与图像纹理粗糙度特征的数学函数关系, 实现了表面粗糙度的测量. 同时, 利用Tamura纹理特征与加工工艺的依赖关系, 建立了基于贝叶斯网络的工艺识别推理模型, 推理出了零件表面加工工艺. 通过为多种加工类型表面建立粗糙度测量模型, 为粗糙度测量提供了新思路. 实验证明所提的粗糙度测量模型能以较高的准确率识别出零件表面加工类型并测量出其表面粗糙度值.     

状态方程实验用铜多台阶靶制备工艺

 采用单点金刚石切削技术,通过合理的刀具设计、夹具设计及工艺过程设计,确定了加工工艺参数,完成了厚度几μm至几十μm的无氧铜多台阶靶的制备。通过触针式轮廓仪,台阶仪,白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量。结果表明：通过单点金刚石切削技术加工成形的铜多台阶靶,各台阶表面均方根粗糙度小于50 nm,工件表面轮廓平直,台阶垂直度较好。采用阿基米德原理对材料密度进行测量,加工成形后密度为(8.945±0.074) g/cm3,接近材料理论密度。     

基于高精度3D打印工艺的ICF调制靶

惯性约束聚变(ICF)中的瑞利-泰勒不稳定性(RTI)研究需要基于多种结构的调制靶,针对目前调制靶制备的工艺问题,采用双光子3D打印工艺制备了平面调制、平面复合调制及球壳型调制三种典型结构的调制靶,靶材料为光敏树脂(95%:C₂₃H₃₈N₂O₈,5%:C₄H₆O₂)。采用激光共聚焦显微成像分析了三种调制靶的实际结构参数,三种靶型的实测形貌及其参数与设计结构及参数具有良好匹配度。为进一步验证双光子3D打印新型工艺制备调制靶的可行性,实验团队在“神光Ⅱ”高功率激光实验装置上进行了纳秒激光打靶实验,结果显示靶表面的调制在激光直接驱动下受RTI的作用随时间呈增长趋势,初始峰谷值为4μm的调制在激光驱动2.5 ns后形成了长度达100μm的高密度射流,表明基于高精度3D打印工艺制备结构复杂的调制靶用于RTI研究具有较高可行性。     

偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响

为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响,开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响,利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌,并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明:线偏振光烧蚀线宽度大于圆偏振光,且激光功率越大,线宽差异越明显;当线重叠率在65%~90%时,线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大,在重叠率为65%时达到1.33μm;线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大,并在重叠率为80%时达到较小值1.05μm;当重叠率不到80%时,线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小;重叠率为90%时,其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。     

优化掩模分布改善数字光刻图形轮廓

基于数字微反镜(DMD)的无掩模数字光刻系统可用于IC掩模制作或育接作为微结构的加工工具,有着广泛的应用前景.但理沦和实验均发现基于DMD数宁光刻系统加工连续表面微结构元件时,往往难以获得预期的图形轮廓,加工出的图形表面具有规则的振荡起伏.在深入探讨DMD灰度图形传递的基础上,分析了空间像畸变产生的物理机制,并提出用模拟退火算法来优化掩模图形,在5%的相对曝光量偏差范围内模拟表明优化有效地消除了表面起伏,最后利用优化的掩模实验加工出表面轮廓比较良好的轴锥镜阵列.该方法能有效改善面形质量,而且不存在掩模制作等问题,这对于制作高质量的微结构元件有重要意义.     

非球面元件精密铣磨加工技术研究

通过对Φ42 mm和Φ82 mm口径非球面光学零件精密铣磨成型过程的加工特点和加工误差因素的分析,在工艺中引入刀具与工件变形、刀具半径误差等因素,结合经典Hertz接触理论建立了刀具与工件变形量及刀具半径误差和补偿理论模型,并且应用在精密铣磨成型过程中,通过实验,Φ42 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.91μm,RMS值达到0.288μm;Φ82 mm口径非球面光学零件经一次精密铣磨成型后元件面形精度PV值为1.60μm,RMS值达到0.385μm,完全满足加工精度要求,加工时间节省了50%以上。实验验证了理论分析及误差补偿方法的正确性,实现了精密光学非球面元件的快速精密铣磨成型加工。     

抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度的影响

减小大孔径超光滑玻璃表面的粗糙度是提高抛光质量的关键。实验研究了抛光过程中pH值对抛光元件表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度有较明显的影响;抛光过程中抛光液的pH值会随抛光时间而变化;抛光过程中,当保持抛光液处于微碱状态,且离抛光粉的等电离点较远时,抛光元件表面具有较小的粗糙度。     

脉冲敲击技术对PI微球表面粗糙度的影响

作为点火靶重要候选靶丸之一, 聚酰亚胺 (PI) 空心微球采用降解芯轴技术结合双单体气相沉积聚合法 (VDP) 制备. 在PI涂层过程中微球碰撞对表面质量影响较大, 为了减小碰撞提高表面质量, 选用筛网盘做样品盘, 激励方式由压电振动模式改为脉冲敲击模式进行对比. 实验数据表明微球运动过程中碰撞是引起表面质量变差的原因, 通过理论分析确认了筛网盘通过减少接触点可以减少微球与微球间、微球与样品盘间的碰撞, 并且将压电振动改为脉冲敲击模式可以减小微球碰撞次数. 脉冲敲击模式与压电振动模式相比, 其可控性、微球弹跳幅度、消除静电等方面均优于压电振动. 对于微球壁厚均匀性而言, 压电振动略好于脉冲敲击, 但相差较小. 单个微球的壁厚最大偏差前者为0.68 μm, 优于后者的0.73 μm; 单个微球壁厚平均值在同一批次内的最大起伏, 前者为0.26 μm, 优于后者0.57 μm. 白光干涉仪数据显示脉冲敲击起到了提高微球表面质量的作用, 其表面粗糙度Rq值由52–93 nm 减小到28–44 nm. 关键词： 脉冲敲击技术 聚酰亚胺靶丸 表面粗糙度 壁厚均匀性     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 m,球冠高6.7 m,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 m,长径比超过100。     

一种印刷机滚筒表面位置偏差的高精度光电测量系统

为了提高印刷机的印刷品质,构建了一个测量高速旋转物体表面位置偏差的高精度系统.介绍了该系统的设计原理、结构,各个模块的功能以及软件设计的思路,重点讨论了条形码设计的思路以及利用锁相法测量旋转物体表面位置偏差的方法,并通过实验结果分析,评估了该系统的质量.实验证明该系统可以测量10 μm的位置偏差,测量误差低于3 μm,测量误差稳定可靠,检测速度快,为印刷机滚筒表面位置偏差的测量提供了一种全新的技术手段.     

钛球表面研磨技术研究

采用四轴球体研磨方法对金属钛球进行精密研磨实验,通过Talysurf轮廓仪对球体表面粗糙度进行测试,通过靶丸表面轮廓仪检测钛球圆度。结果表明:钛球表面粗糙度可达小于10nm,圆度小于1.0μm。通过对球体的受力分析表明,在四轴空间对称分布的情况下,需满足四轴受力基本相同,研具半径为被研球体的0.816倍,可获得圆度较好的球体。     

Fabrication of corner cube array retro-reflective structure with DLP-based 3D printing technology

In this article, the fabrication of a corner cube array retro-reflective structure is presented by using DLP-based 3D printing technology. In this additive manufacturing technology a pattern of a cube corner array is designed in a computer and sliced with specific software. The image of each slice is then projected from the bottom side of a reservoir, containing UV cure resin, utilizing a DLP video projector. The projected area is cured and attached to a base plate. This process is repeated until the entire part is made. The best orientation of the printing process and the effect of layer thicknesses on the surface finish of the cube has been investigated. The thermal reflow surface finishing and replication with soft molding has also been presented in this article.     

Highly porous 3D nanofibrous scaffolds processed with an electrospinning/laser process

Electrospinning has been widely used to produce micro/nanosized fibres. Although the method is very simple, easy, and effective for obtaining nanosized material, the fabrication of three dimensional (3D) shapes comprised of micro/nanofibres has been a major obstacle for use in tissue engineering. In this study, a new electrospinning method to fabricate controllable 3D micro/nanofibrous structure (with thickness over 3 mm) is suggested. The fabricated 3D fibrous structure was fully porous and successfully consisted of submicron-sized fibres. However, the pores in the 3D fibrous structure were too small (5–10 μm), so we used a femtosecond laser process to achieve enough cell infiltration and proliferation in the thickness direction of the 3D structure. By controlling appropriate processing conditions, we can successfully fabricate a highly porous 3D micro/nanofibrous structure with various pore sizes ranging from 189 ± 28 μm to 380 ± 21 μm. The fabricated 3D fibrous scaffolds were assessed for in vitro biological capabilities by culturing osteoblast like cells (MG63). Compared with the rapid-prototyped PCL scaffold, the 3D fibrous scaffold exhibited significantly higher biological activities (initial cell attachment and cell proliferation) due to the topographical structure of micro/nanofibres.     

压电波形对喷墨打印电极的调控规律

压电喷墨打印是制备印刷电子器件的主要手段之一,其墨滴喷射状态直接受压电波形的影响,因而压电波形对于器件打印具有重要意义。本文主要研究了压电波形对薄膜晶体管(TFT)电极打印效果的影响,实验通过改变压电波形的加压速率和脉冲持续时间,打印得到了一系列的电极样品,并对其图形效果及表面粗糙度进行了测量。实验表明,随着加压速率和脉冲持续时间的增大,墨滴喷出动能增大,最终打印的图形效果先改善后恶化,表面粗糙度则随之增大。在加压速率取值为0.08~1.65 V/μs、脉冲持续时间取值为1.216~2.688μs的区间内得到了失真程度较小的电极图形,在加压速率及脉冲持续时间分别为0.25 V/μs、2.688μs及0.65 V/μs、1.600μs时,电极图形化效果较好,表面粗糙度分别为59.04 nm和59.27 nm。通过对压电波形参数的合理设置,能够实现对打印图形效果的优化。     

平面调制靶的正弦波曲面超精密加工与表征

采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构,解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术,研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为（20～150）m0.5 m﹑峰谷高度差为（0.2～20）m0.1 m的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描,在20 m20 m的范围内,其表面粗糙度均方根值小于10 nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较,采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征,利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶,实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。     

Fabrication of three-dimensional electrical patterns by swollen-off process: An evolution of the lift-off process

We present a novel process to fabricate three-dimensional (3D) metallic patterns from 3D printed polymeric structures utilizing different hygroscopic swelling behavior of two different polymeric materials. 3D patterns are printed with two different polymers as cube shape. The surface of the 3D printed polymeric structures is plated with nickel by an electroless plating method. The nickel patterns on the surface of the 3D printed cube shape structure are formed by removing sacrificial layers using the difference in the rate of hygroscopic swelling between two printing polymer materials. The hygroscopic behavior on the interfaced structure was modeled with COMSOL Multiphysics. The surface and electrical properties of the fabricated three-dimensional patterns were analyzed and characterized.     

Fabrication of patterned gold microstructure by selective electroless plating

Patterned gold microstructures on glass or Si wafers have been fabricated by a novel method which is composed of selective electroless plating and microcontact printing. This process may be widely used for the production of fine metal patterns in printed circuits or as a substrate to form patterned SAMs. In addition, these patterned metal microstructures can be readily transferred to adhesive tape surface to fabricate flexible metal microstructure, which may be applied in all-plastic circuit.     

Nontraditional manufacturing technique-Nano machining technique based on SPM

Nano machining based on SPM is a novel, nontraditional advanced manufacturing technique. There are three main machining methods based on SPM, i.e.single atom manipulation, surface modification using physical or chemical actions and mechanical scratching. The current development of this technique is summarized. Based on the analysis of mechanical scratching mechanism, a 5 μm micro inflation hole is fabricated on the surface of inertial confinement fusion (ICF) target. The processing technique is optimized. The machining properties of brittle material, single crystal Ge, are investigated. A micro machining system combining SPM and a high accuracy stage is developed. Some 2D and 3D microstructures are fabricated using the system. This method has broad applications in the field of nano machining.