飞秒激光直写功率反馈控制模块及光控微致动器制备研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

近年来，随着前沿科技领域对微纳加工高精度与高复杂性要求的不断提高，双

光子聚合飞秒激光直写加工技术由于其精度高、热效应低、能够实现任意空间三维

结构加工的特点，受到了广泛关注。微纳4D打印是基于3D打印增加了时间维度，

通过材料的变形能力而实现的智能加工形式。在飞秒激光直写广泛的应用范围中，

4D打印能够充分利用其优势，制备得到具有较小特征尺寸的精细微致动器件。但

是当前加工思路通常利用异质多材料加工，存在材料异质集成困难和需要多步加工

更换前驱体材料的问题，对加工效率的提高产生了很大影响；除此之外，激光功率

的不稳定波动对产物的稳定性产生了负面影响，且固定单一的加工功率将会限制复

合结构微纳4D打印的灵活性。为解决这些问题，本文通过设计一套闭环反馈控制

模块，并将其与原有的加工装置相耦合，使之具备了稳定实时功率波动的加工功能，

并通过此系统进行具体模型结构的加工，探究了功率参数对材料体系的影响，进一

步扩展了微纳加工应用的边界。本文的主要研究内容如下：

（1）设计了一套激光功率闭环反馈模块，可以实现激光功率的稳定；并对实

际应用中的控制算法进行优化，除了使用开环预校正与闭环反馈控制结合的控制算

法，实现了高稳定性的指标；还针对系统使用中特殊场景，提供了多种反馈算法的

优化选项，保证了系统的鲁棒性与适应能力。

（2）开发了配套的功率闭环控制软件，并将其作为子模块嵌入到已有的加工

软件中。通过自底向上的开发思路，实现了根据底层驱动完成基础功能，并将其组

合成为核心软件功能的目标。相比原有加工软件，额外提供了可编程数据序列化修

改功能和递归下降数据解释器，在软件层面建立了可变功率参数编程加工的基础。

（3）使用本套系统，对掺杂碳纳米管的水凝胶材料体系进行了功率参数的区

间标定，并基于合适区间参数对其在直写加工和刺激驱动方面的影响进行了综合分

析。通过不同结构的性能对比，确定了微器件制备的参数指标与单元结构形态。

（4）以组合单元结构的方式，设计并制备了由具有形变能力的单体单元组装

而成的光致动微器件。通过不同的方向设计与组合方式，实现了包括扩展联通和短

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距夹持等在内的光控致动功能，进一步探索了光控微致动器的应用可行性。

综上所述，本文设计并搭建了一套基于优化闭环反馈控制算法的双光子聚合飞

秒激光直写加工功率控制模块，实现了加工过程中的功率稳定与自动调制，明显提

高了原激光加工系统的功率稳定程度；并通过软件开发，使本系统具备了可用户自

定义的加工数据序列的能力，为实现基于功率参数编程的高自由度直写加工提供了

便利。本工作通过使用此系统进行加工，探索了一种利用功率参数编程进行加工的

工艺流程，制备得到了具有良好机械性能和致动功能的光控微致动器件，有望在双

光子加工器件的可编程互联研究领域获得进一步的应用。

关键词：双光子聚合飞秒激光直写加工；4D打印；闭环反馈控制算法；递归下降

数据解析；光控微致动器件

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Abstract

Inrecentyears,withtheincreasingdemandforhighprecisionandcomplexityof

microandnanoprocessinginfrontierscienceandtechnologyfields,two-photon

polymerizationfemtosecondlaserdirectwritingfabricationtechnologyhasreceived

widespreadattentionduetoitshighprecision,lowthermaleffect,