一种用于非平基底的双光子自动加工方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术涉及一种用于非平基底的双光子自动加工方法、系统及设备。加工方法包括如下步骤：S1：调节基底的水平位置，使激光焦点的水平位置位于基底的初始加工区域内；S2：对激光进行对焦，对焦后在初始加工位置进行激光加工；S3：基底移动到下一加工点，在该加工点进行对焦，完成对焦后在该加工点进行激光加工；S4：重复S3直至完成所有加工点的加工，对加工完成的微纳结构进行显影，得到成品微纳结构。本发明专利技术通过对每个加工点进行自动对焦，解决了使用激光在非平基底上加工过程中，手动对焦操作繁复、耗时而且存在较大误差的问题。耗时而且存在较大误差的问题。耗时而且存在较大误差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于非平基底的双光子自动加工方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及激光加工
，特别是涉及一种用于非平基底的双光子自动加工方法、一种用于非平基底的双光子自动加工系统、一种用于非平基底的双光子自动加工设备。

技术介绍

[0002]飞秒激光微纳米加工是一种新兴的纳米结构成型方法。它可以被视作是一种特殊的3D打印，即光固化成型技术。飞秒激光双光子直写加工对焦过程中，工作人员需要找到双光子材料与基底分界面作为加工基准面。通过控制三维运动台来控制基底上双光子加工材料与激光焦点的相对位置，当找到合适的加工基准面后对双光子材料进行飞秒激光双光子直接加工。
[0003]当激光焦点偏离加工基准面时会出现两种状况：a)激光焦点大部分处于基底材料当中时，此时加工结构与设计结构相比不完整，显影后导致部分加工结构丢失。b)焦点完全处于聚合物材料时，会导致加工结构不与基底相连，显影后加工结构被冲掉导致结构完全丢失。
[0004]在加工过程中非平基底大致可以分为三种情况：1、柔性基底(如图1.a)。2、图案化基底(如图1.b)。3、倾斜基底(如图1.c)。
[0005]使用飞秒激光在柔性基底材料上加工微纳结构(如图2.a)。由于基底表面形貌变化没有规律，导致在初始位置对焦完成之后，后续加工的微纳结构有所损失或者完全丢失(如图2.b)。目前工作人员通过加工一个结构后重新手动对焦一次然后继续加工下一个结构这一方法(如图2.c)解决此问题。但此方法操作繁琐，而且手动对焦是通过肉眼观察激光与待加工材料作用时光斑大小来确定焦点轴向位置，肉眼观察存在较大的随机误差，影响加工质量。

技术实现思路

[0006]基于此，有必要针对现有使用激光在非平基底上加工过程中，手动对焦操作繁复、耗时长而且存在较大误差的问题。提出一种用于非平基底的双光子自动加工方法、系统及设备。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：一种用于非平基底的双光子自动加工方法，其包括如下步骤：
[0008]S1：调节基底的水平位置，使激光焦点的水平位置位于基底的初始加工区域内。初始加工区域表征在该区域内任选一点作为初始加工点时，设计结构所处的水平区域均位于基底上。
[0009]S2：对激光进行对焦，以使基底位于理想的初始加工位置，根据相应的加工策略在初始加工位置进行激光加工。其中，对焦的方法如下：
[0010]S21：以荧光聚合物为取景对象，实时采集荧光聚合物散射荧光的光斑图像。
[0011]S22：调节基底的高度，当光斑图像中光斑的等效直径达到最大值时，计算光斑的最大等效直径作为基准值。
[0012]S23：根据荧光聚合物的物理特性与基准值计算光斑等效直径的理想值。
[0013]S24：调节基底的高度直至光斑图像中光斑的等效直径等于理想值。
[0014]S3：根据预设的移动路径控制基底移动到下一加工点，判断光斑图像中光斑的等效直径是否等于理想值，并做出如下决策：
[0015](1)是则直接在该位置进行激光加工。
[0016](2)否则在该加工点进行对焦，完成对焦后在该加工点进行激光加工。
[0017]S4：判断是否完成加工，若未完成加工，则重复S3直至加工完成。若加工完成，则对加工完成的微纳结构进行显影，得到成品微纳结构。
[0018]本专利技术通过对每个加工点进行自动对焦，解决了使用飞秒激光在非平基底上加工过程中，手动对焦操作繁复、耗时而且存在较大误差这一问题。
[0019]在其中一个实施例中，始加工区域根据基底覆盖的水平区域及扫描策略覆盖的水平区域计算而得，具体方法如下：
[0020]a、将基底的外形p
j
、激光焦点的外形p
l
、加工策略覆盖的水平区域p
p
和扫描策略覆盖的水平区域p
s
映射在同一平面上。将p
l
和p
p
同心设置，并在p
j
内沿p
p
与p
j
相切的路径移动一周。将p
l
与p
j
围成的区域从p
j
中移除，得到中间外形p
m
。
[0021]b、对p
m
进行缩放，直至满足缩放后的图形刚好外接在p
s
上。设p
m
为n边形，外接在p
s
上的图形为p
ms
，则将p
ms
的n个角依次贴合在相应的p
m
的每个角上。每次贴合时，对与贴合的角不相邻的其他n
‑
2个边做延长线。多个延长线将p
s
划分为多个分区域，将其中包含p
m
的每个角的分区域作为初始加工区域。
[0022]在其中一个实施例中，判断激光焦点位于初始加工区域内的方法如下：
[0023]S11：以基底为取景对象，采集包含激光焦点的基底图像。
[0024]S12：对基底图像预处理，保留基底的外轮廓和激光焦点的外轮廓。
[0025]S13：在基底的外轮廓中添加初始加工区域的轮廓线。
[0026]S14：观察激光焦点的外轮廓是否完全位于初始加工区域内，是则确认激光焦点位于初始加工区域内。否则移动基底，直至激光焦点的外轮廓完全处于初始加工区域内。
[0027]在其中一个实施例中，获取基准值的方法如下：
[0028]S221：观察初始的光斑图像中是否存在光斑，并做出如下决策：若无光斑，则对基底升降直至光斑图像中出现光斑。若存在光斑，则控制基底上移或下移，观察光斑的尺寸变化。
[0029]S222：判断光斑的尺寸是否增大，并做出如下决策：若光斑逐渐变小，则反向移动基底，使光斑图像中的光斑尺寸变大。若光斑逐渐变大则控制基底按原方向继续移动，直至光斑的尺寸保持不变。若光斑保持不变，则光斑的等效直径达到最大，获取光斑的最小外接圆，则该最小外接圆的直径即为基准值。
[0030]在其中一个实施例中，基底的移动为三维移动，以初始加工点为原点，竖直方向为Z轴，任一水平方向为X轴，另一与X轴垂直的水平方向为Y轴。则移动路径仅包含基底在X轴、Y轴上的移动，对焦过程仅包括基底在Z轴上的移动。
[0031]本专利技术还提供一种用于非平基底的双光子自动加工系统，其包括：
[0032]成像模块用于实时采集包含荧光聚合物及其散射荧光的光斑图像。
[0033]图像处理模块用于对光斑图像预处理，并计算光斑图像中光斑的等效直径。光斑图像的预处理包括归一化处理和滤波处理。归一化处理可以将每个光斑图像转换为相同的形式，在多次加工的过程中保持相同标准，提高加工的精度。滤波处理可以在保留图像细节特征的前提下，对图像的噪声进行抑制，提高图像处理的精确度。
[0034]决策模块用于：一、判断光斑的等效直径是否为最大值，是则记录等效直径的最大值作为基准值。二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于非平基底的双光子自动加工方法，其特征在于，其包括如下过程：S1：调节基底的水平位置，使激光焦点的水平位置位于基底的初始加工区域内；所述初始加工区域表征在该区域内任选一点作为初始加工点时，设计结构所处的水平区域均位于基底上；S2：对激光进行对焦，以使基底位于理想的初始加工位置，根据相应的加工策略在初始加工位置进行激光加工；其中，对焦的方法如下：S21：以荧光聚合物为取景对象，实时采集荧光聚合物散射荧光的光斑图像；S22：调节基底的高度，当光斑图像中光斑的等效直径达到最大值时，计算光斑的最大等效直径作为基准值；S23：根据荧光聚合物的物理特性与基准值计算光斑等效直径的理想值；S24：调节基底的高度直至光斑图像中光斑的等效直径等于理想值；S3：根据预设的移动路径控制基底移动到下一加工点；判断光斑图像中光斑的等效直径是否等于理想值，并做出如下决策：(1)是则直接在该位置进行激光加工；(2)否则在该加工点进行对焦，完成对焦后在该加工点进行激光加工；S4：判断是否完成加工，若未完成加工，则重复S3直至加工完成；若加工完成，则对加工完成的微纳结构进行显影，得到成品微纳结构。2.根据权利要求1所述的用于非平基底的双光子自动加工方法，其特征在于，在S1中，所述初始加工区域根据基底覆盖的水平区域及扫描策略覆盖的水平区域计算而得，具体方法如下：a、将基底的外形p
j
、激光焦点的外形p
l
、加工策略覆盖的水平区域p
p
和扫描策略覆盖的水平区域p
s
映射在同一平面上；将p
l
和p
p
同心设置，并在p
j
内沿p
p
与p
j
相切的路径移动一周；将p
l
与p
j
围成的区域从p
j
中移除，得到中间外形p
m
；b、对p
m
进行缩放，直至满足缩放后的图形刚好外接在p
s
上；设p
m
为n边形，外接在p
s
上的图形为p
ms
，则将p
ms
的n个角依次贴合在相应的p
m
的每个角上；每次贴合时，对与贴合的角不相邻的其他n
‑
2个边做延长线；多个延长线将p
s
划分为多个分区域；将其中包含p
m
的每个角的分区域作为初始加工区域。3.根据权利要求1所述的用于非平基底的双光子自动加工方法，其特征在于，在S1中，判断激光焦点位于初始加工区域内的方法如下：S11：以基底为取景对象，采集包含激光焦点的基底图像；S12：对基底图像预处理，保留基底的外轮廓和激光焦点的外轮廓；S13：在基底的外轮廓中添加初始加工区域的轮廓线；S14：观察激光焦点的外轮廓是否完全位于初始加工区域内，是则确认激光焦点位于初始加工区域内；否则移动基底，直至激光焦点的外轮廓完全处于初始加工区域内。4.根据权利要求1所述的用于非平基底的双光子自动加工方法，其特征在于，在S22中，获取基准值的方法如下：S221：观察初始的光斑图像中是否存在光斑，并做出如下决策：若无光斑，则对基底升降直至光斑图像中出现光斑；若存在光斑，则控制基底上移或下移，观察光斑的尺寸变化；S222：判断光斑的尺寸是否增大，并做出如下决策：若光斑逐渐变小，则反向移动基底，

【专利技术属性】
技术研发人员：吴思竹，李鑫凯，劳召欣，尹智东，张晨初，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：