摘要：厦门大学周伟教授联合香港理工大学张志辉教授、王春锦助理教授团队提出了一种基于红外皮秒激光的3D动态聚焦激光（3D-DFL）制造策略，用于透明柔性聚合物微结构的精密制造。通过实时调整Z轴焦点，有效补偿因消融导致的深度偏移，确保能量沉积一致性和制造质量稳定性。该方
期刊：International Journal of Machine Tools and Manufacture (IF=18.8)
发表日期：2025年7月12日
厦门大学周伟教授联合香港理工大学张志辉教授、王春锦助理教授团队提出了一种基于红外皮秒激光的3D动态聚焦激光（3D-DFL）制造策略，用于透明柔性聚合物微结构的精密制造。通过实时调整Z轴焦点，有效补偿因消融导致的深度偏移，确保能量沉积一致性和制造质量稳定性。该方法不仅提高了制造精度，还实现了复杂几何形状的快速定制，为透明柔性聚合物微结构的大规模制造提供了新的途径。该研究成果以”Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers“为题，发表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》期刊上。
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背景知识
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透明柔性聚合物在微流控芯片、柔性电子等领域有广泛应用。这些材料具有优良的光学透明性、柔韧性和生物相容性。然而，传统激光加工技术在制造这些材料的3D微结构时，由于能量沉积不准确和焦点不匹配，导致制造的微结构精度和质量难以保证。因此，开发一种能够精确控制激光焦点和能量沉积的新技术对于提高透明柔性聚合物微结构的制造精度至关重要。
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研究方法
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3D动态聚焦激光系统搭建：设计并搭建了一个3D动态聚焦激光加工系统，该系统采用红外皮秒激光器，最大输出功率为20W，波长为1064nm，重复频率为100kHz，脉冲宽度为10ps。通过Z轴聚焦模块动态调整激光焦点位置，利用高斯光束的特性，结合XY扫描模块和F-Theta聚焦透镜，实现对样品表面的精确加工。
激光烧蚀深度预测模型建立：建立了一个通用的激光烧蚀深度预测模型。该模型基于高斯光束能量分布，考虑了激光能量密度、脉冲重叠率、激光扫描参数、材料烧蚀阈值和吸收系数等关键因素。通过理论分析和实验数据的结合，预测不同激光参数下的烧蚀深度，为激光与材料相互作用过程中深度偏差的补偿提供了理论依据。
实验验证与参数优化：在PDMS和PET两种聚合物材料上进行了系统的实验验证。通过调整激光功率、扫描速度和扫描间距等参数，研究了这些参数对烧蚀深度和表面质量的影响。通过优化这些参数，精确控制激光加工过程。
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关键结论
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3D动态聚焦激光技术能够有效解决传统激光加工技术在透明柔性聚合物中制造3D微结构时面临的能量沉积不准确和焦点不匹配问题，显著提高了微结构的制造精度和质量。
通过在PDMS和PET两种聚合物材料上的实验验证，激光烧蚀深度预测模型的平均绝对百分比误差分别为5.99%和2.68%，表明该模型具有较高的预测精度，能够为激光加工过程提供准确的指导。
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图片解析
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图1介绍了一种基于模型驱动的3D-DFL技术，用于透明柔性聚合物中3D微结构的精密制造。该技术通过实时调整激光焦点位置，补偿烧蚀过程中的深度变化，确保能量沉积的一致性和加工质量的稳定性。
图2展示了3D动态聚焦激光加工系统的光学路径和工作原理。系统采用红外皮秒激光器，通过Z轴聚焦模块动态调整激光焦点位置，结合XY扫描模块和F-Theta聚焦透镜，实现对样品表面的精确加工。该设计能够实时补偿烧蚀过程中的深度变化，确保能量沉积的一致性和加工质量的稳定性。
图3对比了传统2D激光加工方法和3D动态聚焦激光加工方法。2D激光加工采用固定焦点，依赖精确控制激光能量来实现不同深度的材料去除，但存在能量衰减和热效应导致加工精度降低的问题。而3D动态聚焦激光加工通过实时调整焦点位置，补偿材料表面形貌变化引起的离焦效应，确保能量密度均匀，显著提高了加工精度和表面质量。
图4通过高速成像技术捕捉了PDMS材料在激光烧蚀过程中的表面形貌变化。观察到激光烧蚀过程分为稳定、扩张和收缩三个阶段，揭示了透明柔性材料在超快激光作用下的热机械响应机制。
图5分析了激光焦点位置对烧蚀深度和表面形貌的影响。结果表明，焦点位置与实际烧蚀深度的匹配对烧蚀质量至关重要。正离焦导致重铸层和孔径增大，负离焦则引起烧蚀不均匀和氧化颗粒沉积。精确匹配焦点位置和烧蚀深度可实现均匀的能量分布，减少缺陷。
图6展示了在不同激光焦点位置和功率条件下，PDMS底部表面的烧蚀形貌和算术平均粗糙度。实验结果表明，焦点对准条件下的加工能够实现较低的表面粗糙度，而离焦条件则导致粗糙度增加。
图7展示了在不同激光焦点位置下，PDMS侧壁的烧蚀形貌。结果表明，正离焦条件下，侧壁孔径较小且分布均匀，表面较光滑；焦点对准时，侧壁孔径减少，表面质量最佳；而负离焦条件下，侧壁孔径增大且粗糙度增加。此外，还观察到了重铸层和褶皱结构的形成，这些现象与焦点位置和烧蚀深度的匹配密切相关。
图8展示了在不同激光动态偏移条件下，PDMS侧壁的元素分布。分析发现，碳含量在焦点对准时最低，而正负离焦条件下碳含量增加；氧含量则在焦点对准时最高，且在顶部区域高于底部区域。
图9展示了在不同激光加工参数下，随着加工层数的增加，平均烧蚀深度的变化。结果表明，正离焦条件下，随着层数增加，烧蚀深度急剧下降，而负离焦条件下则相反。
图10分析了激光功率、扫描速度和扫描间距对PDMS烧蚀深度和表面质量的影响。结果显示，烧蚀深度与激光功率正相关，而与扫描间距和速度负相关。通过优化这些参数，可以在保持高加工效率的同时，实现良好的表面质量，这对于提高激光加工的精度和效率具有重要意义。
图11展示了在不同激光功率和脉冲数量条件下，PDMS材料的烧蚀阈值实验结果。通过测量不同条件下烧蚀区域的直径，并采用最小二乘法进行线性拟合，可以确定激光束的腰径和材料的烧蚀阈值。
图12比较了烧蚀深度预测模型与实验结果的一致性。结果显示，模型在大多数参数条件下都能准确预测烧蚀深度，相对误差在1.3%到12.7%之间。这表明该模型能够为激光加工提供准确的指导，提高加工精度和效率。
图13展示了使用模型预测的烧蚀深度来确定激光动态偏移参数后，制造的锥形微结构的3D形貌和截面轮廓。结果表明，该方法能够实现高精度和一致性的加工，微结构的高度和宽度均接近设计值，体积误差小于3%，验证了模型引导的激光加工方法的可靠性和精确性。
图14展示了不同尺寸的金字塔结构的加工精度和形状偏差分析。通过比较加工后的轮廓与设计轮廓，使用峰谷偏差和均方根偏差来评估加工精度。结果显示，加工精度随着结构高度的增加而略有增加，但总体偏差较小，表明激光加工过程具有很高的相对精度。
图15展示了在PDMS基底上制造的各种锥形和截锥形微结构。这些结构具有高几何保真度和尺寸均匀性，证明了3D动态聚焦激光加工方法在精确控制微结构尺寸方面的潜力，适用于制造各种形状和尺寸的3D微结构。
图16展示了在PDMS基底上制造的具有复杂功能配置的3D微结构，如莫尔图案、多尺度锥形结构和菱形金字塔结构等。这些结构具有高几何精度和可调的表面拓扑结构，展示了3D动态聚焦激光加工方法在制造复杂微结构方面的多样性。
图17展示了在PET基底上制造的各种3D微结构，包括三角形金字塔、四边形金字塔、五边形金字塔、微针阵列、多级金字塔阵列和同心圆形微通道等。这些结构的成功制造证明了3D动态聚焦激光加工方法在不同材料上的适应性和鲁棒性，为该方法在更广泛的透明聚合物材料中的应用提供了有力支持。
图18展示了3D动态聚焦激光加工方法在制造柔性压力传感器、微流控芯片和超声波滴液操纵平台等功能部件中的应用实例。这些应用实例证明了该方法在提高传感器灵敏度、改善微流控芯片的混合效率以及实现非接触式液体操纵方面的实际应用价值。
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总结与展望
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本文提出的3D动态聚焦激光技术，通过实时调整激光焦点和建立烧蚀深度预测模型，有效解决了透明柔性聚合物微结构制造中的能量沉积不准确和焦点不匹配问题，显著提升了微结构的制造精度和质量。该技术在PDMS和PET等材料上的成功应用，验证了其高效性和可靠性。未来，该技术有望拓展至更多透明柔性聚合物及非透明材料，进一步优化加工参数和模型精度，以提高制造效率、降低成本，推动其在生物医学、光学、电子等领域的产业化应用，为微流控芯片等微纳器件的制造带来新的发展机遇。
来自：微流空信息网
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟