【摘 要】
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在高端精密制造领域,晶圆等微型器件在加工检测过程中常被频繁地拾取与释放、传输与定位,而现有的接触式驱动技术易造成精密器件的破损和污染,影响产品的精度和寿命。近年来,基于激光热弹机制的光动力非接触微驱动技术受到研究关注,由于光热转换效率较低,驱动能量有限,仅有微纳米级振幅,仍较难实现微型器件的悬浮传输等操作,所以提高激光热弹驱动过程的能量转化效率,实现更高振幅驱动,对非接触驱动技术在高端制造领域的深
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:光致超声行波驱动机理及非接触传输特性研究，项目资助号:（52075172）；
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在高端精密制造领域,晶圆等微型器件在加工检测过程中常被频繁地拾取与释放、传输与定位,而现有的接触式驱动技术易造成精密器件的破损和污染,影响产品的精度和寿命。近年来,基于激光热弹机制的光动力非接触微驱动技术受到研究关注,由于光热转换效率较低,驱动能量有限,仅有微纳米级振幅,仍较难实现微型器件的悬浮传输等操作,所以提高激光热弹驱动过程的能量转化效率,实现更高振幅驱动,对非接触驱动技术在高端制造领域的深入应用尤为重要。本文建立了考虑激光光热效应的热弹驱动耦合动力学理论模型,研究纳秒激光激励毫米级悬臂梁的非线性模态交互效应,提出激光调制激励下的驱动控制方法来提高热弹驱动过程中的能量转换效率,实现数十毫米的大振幅响应。主要内容如下:（1）构建了考虑光热效应的热弹耦合动力学模型,明晰了激光驱动中热传导及热弹驱动过程,解释了光-热-力能量转换的过程,对模型利用分离变量法和本征函数法进行求解,研究了热弹驱动中温度场及振动幅值随时空变化的物理机理。（2）仿真模拟了激光热弹驱动过程,考虑脉冲激光辐照中激光参数变化对温度场的影响,研究了热弹振动幅值随时间的变化,得出了激光辐照后温度梯度随时间的变化规律及其对振动幅值的影响。（3）设计了用于激光热弹驱动的系统平台。实验研究了悬臂梁在高频（kHz）激励下模态交互非线性带来的能量转换作用,得到了热弹驱动的大振幅响应,提高了能量转换利用效率。并分析了高频激励下,改变其它光源参数及辐照位置对模态交互的影响。该研究可作为基于热弹驱动获取大振幅的参考方法。（4）考虑激光频率对模态交互非线性能量转换的影响,提出了 一种激光激励调制方法,可以用来激发悬臂梁高阶振型,并得到实验验证。实验研究了调制激光激励下悬臂梁宽间隔模态能量转换及分岔振动,得出了低频响应对高频部分幅值及模态响应存在调制作用,且调制频率与低频频率值相等的研究结果。通过实验测试验证了悬臂梁高阶振型下的驱动能力。上述研究结果有利于更好的实现悬臂梁光学激励和控制,提升能量转换效率,促进激光热弹驱动技术在高端制造领域中的深入应用。综上所述,本文在考虑激光光热效应的影响下,建立了毫米级悬臂梁的热弹驱动耦合动力学模型,揭示能量转换物理机理,进一步明晰激光热弹性驱动机制,采用纳秒脉冲激光激励悬臂梁,深入研究了其在模态交互中的能量传递效应,提高了能量转换利用效率,实现了毫米级大振幅,并提出了激光调制方法,实现了悬臂梁高阶振型的激励及宽间隔模态交互的激发。该研究对非接触驱动技术在精密仪器制造、片上系统实验室等微操作领域的深入应用具有重要的意义。
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