基于声光调制的飞秒激光功率闭环控制系统研究

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新世纪以来,随着科技的发展,在一些领域产生了对微纳机器人、超材料等超精细真三维结构的需求。但是传统减材制造技术难以应对此类结构的制造。增材制造技术,如飞秒激光双光子聚合3D(Three-dimensional,3D)打印技术,凭借其高精度、无需掩模的工作特性,实现了真三维任意结构的制造,并成功应用在了微机械系统、微纳光学系统、生物医学等领域。从2008年开始,针对可变形结构体的研究让双光子聚合3D打印技术展现了更加广阔的应用前景。研究表明,通过改变3D打印过程中的激光功率,可以制造出可形变的微纳结构。但目前实现变功率加工的方法都是分步加工或开环调制功率。分步加工增加了制造工序和工艺复杂度,降低了加工效率;开环功率调制没有功率闭环反馈机构,无法保证激光长时间工作的稳定性,影响打印结构的质量。为了解决以上问题,本论文设计了一套基于声光调制的激光功率闭环控制系统,能应用于飞秒激光双光子聚合3D打印系统,预期可实现变功率3D打印系统的功能。本论文主要工作如下:(1)针对缺少功率稳定控制、手动调整效率低的问题,本论文设计了一种基于声光调制的激光功率闭环控制系统。该系统能实现抑制激光功率波动的功能,同时可以根据外部触发信号,自动调制功率值的大小。(2)设计了闭环功率控制电路板(下文中称为“功率控制卡”),同时编写了功率控制系统上位机软件和基于PID(proportional integral derivative)算法的单片机程序。该功率控制卡可以配套上位机软件使用,也可以独立运行。预期可以实现在同类的3D打印系统之间通用的功能。(3)搭建了激光功率闭环控制系统的实验光路,随后进行了闭环控制系统抑制激光功率波动的性能测试。测试结果显示,该系统可以将激光功率的最大波动抑制在1%左右,标准差波动抑制在0.1%左右。此外,实验中还测试了闭环控制系统的响应速度,确定了系统从开始改变功率到功率稳定所需要的最大时间为90 ms。最后针对系统测试中发现的低功率控制效果不佳、中心功率定位不准的问题,分析了原因,并提出了解决方案,以便在后续的研究工作中进行改进。本论文设计了一种基于声光调制的激光功率闭环控制系统。将该系统与飞秒激光双光子聚合3D打印系统结合,将可以实现加工过程中自动闭环功率调制的功能。完成结合的3D打印系统预期可以实现变功率、异质异构3D打印,为飞秒激光双光子聚合3D打印系统在可形变结构体制造领域的应用拓宽了道路。
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