近日，廈門大學薩本棟微米納米科學技術研究院周偉教授團隊與香港理工大學超精密加工技術全國重點實驗室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)激光加工技術方面取得重要突破。團隊提出并實證驗證了一種“模型驅(qū)動三維動態(tài)聚焦激光加工”（3D-DFL）新工藝，通過實時調(diào)控激光焦點，實現(xiàn)復雜微結(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)表在機械制造領域國際頂級期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture。

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研究背景

透明柔性聚合物因其優(yōu)異的光學透明性、柔韌性和生物相容性，廣泛應用于微流控芯片、柔性電子、功能表面和生物醫(yī)學等前沿領域。三維微結(jié)構(gòu)的引入可以顯著提升其機械性能、光學特性和流體動力學性能，從而賦予材料一系列新功能。但由于其柔軟、易變形、導熱性差等特性，導致加工過程中常發(fā)生彈性回彈、熱積聚、工具粘附和結(jié)構(gòu)坍塌，嚴重影響成型質(zhì)量和重復性。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)。

目前主流的模板復制法雖精度高，但流程復雜、成本高、周期長，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衡；傳統(tǒng)2D激光加工工藝焦平面固定，難以應對因加工過程中焦點失配導致的能量沉積不準確的問題。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，以滿足透明柔性聚合物器件快速發(fā)展的迫切需求。

圖1 關鍵的科學問題與解決方案

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研究內(nèi)容

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種通用的三維動態(tài)聚焦激光（3D-DFL）微結(jié)構(gòu)制造策略。該策略通過實時調(diào)整激光焦點深度，動態(tài)補償加工過程中因結(jié)構(gòu)起伏產(chǎn)生的聚焦偏移，從而實現(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策略的實施，建立了激光燒蝕深度預測模型，適用于不同類型的激光與材料。此外，還系統(tǒng)性研究了動態(tài)聚焦條件下的激光-材料相互作用機制，揭示了在透明介質(zhì)中焦點偏移對表面質(zhì)量、加工精度的影響。研究團隊以聚合物材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）為代表性材料案例開展相關研究。具體內(nèi)容如下：

（1）三維動態(tài)聚焦激光加工系統(tǒng)

本研究構(gòu)建了一套三維動態(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)擴束準直，再由凹-凸透鏡組在線調(diào)節(jié)束散角，通過可調(diào)Z軸聚焦模塊實現(xiàn)±10?mm范圍內(nèi)的焦點實時調(diào)整。系統(tǒng)結(jié)合XY高速振鏡與F-Theta鏡頭，實現(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動態(tài)聚焦激光加工系統(tǒng)與原理：(a)系統(tǒng)設置示意圖；(b)動態(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，通過局部能量調(diào)控實現(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，常導致邊緣呈階梯狀、結(jié)構(gòu)粗糙。研究團隊對比實驗發(fā)現(xiàn)，盡管2D激光能實現(xiàn)一定的三維形貌，但需復雜能量控制，且難以避免加工瑕疵。而新提出的3D-DFL技術則通過同步調(diào)節(jié)激光焦點高度，實現(xiàn)每一層精準加工，保證激光能量均勻分布。與2D激光相比，3D-DFL在構(gòu)建錐形等復雜結(jié)構(gòu)時展現(xiàn)出更高的光滑度與幾何精度，顯微鏡圖像也證實其邊緣清晰、無缺陷，展現(xiàn)出顯著的加工優(yōu)勢。

圖3 傳統(tǒng)2D激光和3D-DFL工藝對比：（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）理論模型預測精度與制造精度

理論預測模型如式（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)。通過實驗獲取材料燒蝕閾值與材料吸收系數(shù)，即可實現(xiàn)精準預測燒蝕深度。利用該預測模型在代表性聚合物材料PDMS和PET上進行了驗證，預測結(jié)果的平均絕對百分比誤差（MAPE）分別為5.99%和2.68%（見圖4）。

團隊通過設計不同尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)，評估了3D動態(tài)聚焦激光加工的精度。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)高度增加會帶來絕對誤差累積，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 理論模型預測精度分析：(a-c) PDMS材料實驗結(jié)果與預測值對比；(d-f) PET材料實驗結(jié)果與預測值對比

圖5 制造精度誤差分析

（4）微結(jié)構(gòu)制造及應用

為驗證3D-DFL技術的靈活性與通用性，研究團隊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）。該實驗不僅展示了3D-DFL在多材料體系中的適應能力，也對工藝穩(wěn)定性與理論模型的可遷移性進行了驗證。

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

圖7 PDMS基地上加工復雜三維微結(jié)構(gòu)

圖8 PET基地上加工復雜三維微結(jié)構(gòu)

為了進一步證明所提出方法的實際可行性，展示了多個典型微結(jié)構(gòu)應用實例，涵蓋柔性傳感器、微流控與功能表面等領域（如圖9所示）。這些示例體現(xiàn)了方法在實際工程場景中的可擴展性與適應性，凸顯其產(chǎn)業(yè)應用潛力。

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

本研究提出的3D-DFL技術為解決透明材料激光制造中的關鍵挑戰(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。該制造技術有望廣泛應用于下一代可穿戴設備、智能傳感器和生物醫(yī)療等前沿領域。

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研究相關

該論文以廈門大學為第一單位，廈門大學周偉教授、香港理工大學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)于香港理工大學超精密加工技術全國重點實驗室從事博士后研究。

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2023YFB4604600）、國家自然科學基金杰出青年科學基金項目（52325507）、國家自然科學基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點支持項目（U21A20136）、國家自然科學基金青年科學基金項目（52205606）和香港理工大學項目（1-W383, 4-ZZSA, RMAN）的資助和支持。