双光子聚合加工技术通过将激光束聚焦到材料内部,可实现真正的三维快速原型加工,其加工精度可达微纳级。从其加工过程来看,聚合结构的成型是按照“点、线、面、体”的顺序进行的。这里的点对应着每次曝光后形成的体元,体元呈椭球形;线为多个体元连接成的直线或曲线;体元线按照特定的加工路径构成平面;多个平面沿高度方向累积就形成了最终的结构。由此可见,体元是构成最终聚合结构的基础,体元的空间姿态(包括体元大小、位置和角度)将直接影响着聚合结构的表面质量、力学性能等。虽然对于聚合后体元大小的研究已经很多,但是关于体元尺寸的具体变化过程、初始加工位置的定位、体元角度对于加工结果的影响进行的研究比较少。其次,目前的报道中,多是仅提到加工了何种类型的结构,而鲜有涉及加工后的结构尺寸与设计尺寸的一致性问题。再次,虽然双光子聚合加工具体很多优势,但是加工效率普遍较低,并且受体元自身尺寸和分层方法的影响,加工的二维/三维结构都会存在难以消除的误差,因此需要新的,更高效的路径规划方案来兼顾加工效率和表面质量。最后,双光子聚合加工过程是光、机、电系统相互结合共同作用的结果,需要控制激光器、机械快门、激光功率、运动平台和实时监控系统共同作用完成加工,因此需要开发一套控制系统将它们综合起来实现联动控制。为解决上述问题,实现双光子聚合加工的精确控制,本文从双光子聚合加工机理出发开展相关研究,主要研究内容和结论如下:1.通过系统研究高斯光束以任意角度经过光学系统变化后光强分布规律,结合双光子聚合原理,得到体元位姿模型。对影响垂直体元尺寸的因素进行理论分析和实验研究,得到两点结论:第一,每一个特定体元尺寸都对应着一组最佳激光功率和曝光时间加工参数;第二,体元长径比不是恒定的,而随着体元直径的增大而增大。为解决加工的结构最终高度不稳定的问题,提出了一种首层加工结构定位方法——辅助体元中心截断法。该方法是在一个加工区域四角各加工一个由多条高度逐渐下降的体元线螺旋正方形结构,然后对四个螺旋正方形中最后可见体元线端点的坐标进行拟合,再结合体元长度则可得到该区域内各点对应的最佳首层截断位置。通过对比实验验证,使用该加工方法后可以使加工结构的高度平均误差从8.39%降到2.30%。使用该方法加工了一个10~2μm×10~4μm的大尺寸结构,高度平均误差也可达到3%以下。理想条件下,本文采用的光路系统中扫描振镜是影响聚合体元角度的唯一因素,应用体元位姿模型得到扫描振镜中反射镜偏转不同角度时体元位姿的变化规律:体元尺寸、位置和角度的变化分别呈U形分布,正弦分布和反正切分布。实验验证了可以通过扫描振镜对体元位姿进行主动控制,得到倾斜体元。当扫描振镜中反射镜偏移角度在±15°范围内时,可以基本保证体元尺寸的一致性,此时体元的倾斜角度在±60°范围内。2.分析了体元在同一平面内相互重叠时,相邻体元的位置关系与表面形貌误差的影响。建立了表面形貌误差与体元偏移比和体元长径比的幂函数关系模型,以及表面形貌误差与体元重叠比和体元长径比的自然常数指数函数关系模型,并且从理论上论证了表面形貌误差在一定范围内不受体元长径比的影响。由于体元自身尺寸的限制,对于带有锐角的二维轮廓很难得到与设计尺寸高度吻合的结构,而降低体元尺寸则将牺牲加工效率。针对这一问题,首先分析体元半径与锐角角度之间的关系,得到特定表面形貌误差时对应的体元半径和最小可加工锐角,再结合上述两个关系模型和表面形貌误差在一定范围内不依赖于体元长径比的结论,提出了一种二维结构分区路径规划方法。对锐角附近区域采用与锐角角度相对应的小体元半径作为加工参数,而不包含锐角的区域采用大体元半径为加工参数,所有加工参数都是通过设定的表面形貌误差阈值计算得到。该方法可以使加工后的结构在尺寸上与原始结构基本相符,同时还兼顾了加工效率和加工精度。实验验证使用该方法后在同等表面形貌误差情况下,加工效率可提高5倍,尺寸平均相对误差小于1.4%。3.提出了由体元轮廓适应三维结构轮廓斜率变化的自适应分层思路。对于垂直体元相重叠时,建立了表面形貌误差和体元重叠比的自然常数指数函数关系模型,以及表面形貌误差与体元横向和纵向偏移比的二元多项式关系模型。通过上述两个模型可以确定特定表面形貌误差对应着唯一的体元重叠比和变化的横向及纵向偏移比,以此时的重叠比作为分层约束条件1;为消除体元自身尺寸的影响,应使分层后的体元与轮廓线保持相切或近似相切,以此作为自适应分层约束条件2。结合上述两个约束条件,将横向和纵向偏移比作为变量,实现了基于垂直体元的自适应分层。对于倾斜体元相互重叠时,通过分析得到,特定的表面形貌误差对应着唯一的体元重叠比和相对旋转角。同时以二者作为约束条件,旋转体元使体元轴线斜率近似等于轮廓线切线斜率,然后将体元向偏内移体元半径的距离即可实现体元与轮廓线的近似相切,从而实现了基于倾斜体元的自适应分层。对比两种自适应分层加工的结果,两种方法都可以有效地减少了分层层数和表面形貌误差,但是基于倾斜体元的自适应分层方法的平均误差更小,通过增大体元直径和降低重叠比的方式可以进行一步提高加工效率。4.针对双光子聚合加工过程中需要同时控制多个器件的问题,使用LabVIEW软件开发了一套双光子聚合加工控制系统,应用该系统可以将三轴运动平台控制、扫描振镜控制、激光功率控制、激光通断控制和实时监控控制联合成了一个整体。对于重点的二维/三维结构加工,一方面,应用LabVIEW的图像处理功能,对图像进行二值化处理或灰度化处理,通过体元逐点累积可加工出平面二维结构和三维立体浮雕结构;另一方面用户可通过该系统结合三维制图软件进行结构设计、提取加工路径数据,根据编写的数据转换程序生成加工代码,然后通过人机交互界面设置加工参数,来实现对二维/三维结构的连续扫描自动加工。另外,由于双光子聚合加工过程对于体元位姿的依赖性较高,因此编写了多个预编加工程序用,以减少重复工作量。经实验验证,使用该系统加工的结构尺寸精度高,并且不存在曝光不足或曝光过量的情况。本文通过双光子聚合加工机理的研究,构建了体元位姿模型,揭示了扫描振镜偏转角度对体元位姿的影响规律;研究了体元平面重叠和垂直重叠时,表面形貌误差、体元重叠比、体元偏移比以及体元倾斜角度之间的关系,以此为依据提出了由体元轮廓适应二维/三维结构轮廓的分区路径规划法和自适应分层方法;开发了基于LabView的双光子聚合加工控制系统。文中结果对实现双光子聚合加工过程的精确控制具有重要意义。