折衍混合型三维仿生复眼多元耦合建模及其高能束制造

Bionic compound eye device is an important branch of the bionic manufacturing. The key technology, now we are facing is integrative design of bionic system structure, functions and performances and controllable manufacturing of compound eye device. The project puts forward a refractive/diffractive hybrid compound eye cross-scale multi-coupling modeling and femtosecond laser micro / nano fabrication manufacturing methods based on high energy density beam manufacturing, this belongs to the inter-discipline across the bionic manufacturing and high energy density beam manufacturing. Through the multi-factor coupling design of materials - structure - function, based on the nano - micro - macro-scale, this project reveals the coupling mechanisms and laws between three-dimensional biomimetic compound eye and each coupling element; and reaches the accurate simulation of the behavior & performance of simulated biological compound eye. This project improves two-temperature model of ultrashort pulse; sets out a non-equilibrium thermal relaxation of the whole process of multi-field coupling model; explores the microscopic mechanism, the evolution of material properties and device formation law between the femtosecond laser and compound eye materials; achieves precise control of laser micro-shape and volume element boundary parameters; researches the three-dimensional compound eye device micro / nano molding study under the mesoscopic size range; verifies and corrects compound eye model according to device performance test. This project sets out the theoretical and applied basis for bionic compound eye system coupled designing and manufacture reproduction method. It has broad prospects for application in bionic manufacturing, high in precision, performance and functional efficiency.

仿生复眼器件是仿生制造科学研究的重要分支，如何实现仿生系统结构、功能、性能一体化设计和可控制造是仿生复眼器件目前面临的关键技术问题。本项目提出折衍混合型复眼跨尺度多元耦合建模及其基于高能束制造的飞秒激光微/纳加工方法，属于仿生制造和高能束制造科学的交叉研究。通过纳米-微米-宏观尺度的材料-结构-功能一体化多元耦合设计，揭示三维仿生复眼耦元之间耦合机制与规律，实现模拟生物复眼行为和性能的精确仿真；改进超短脉冲双温模型，建立非平衡态热弛豫全过程的多场耦合模型，探索飞秒激光与复眼材料相互作用的微观机理，材料性能演变与器件形成规律，实现激光作用微区形状和体积微元边界参数的精确调控；开展介观尺度下三维复眼器件微/纳成形关键工艺研究，结合器件性能测试对复眼模型进行验证与修正。本项目为仿生复眼系统耦合设计和制造再现方法奠定了理论和应用基础，在高精度、轻量化和批量化的仿生制造中有广阔的应用前景。

飞秒激光由于其脉冲持续时间极短、峰值功率极高，已成为微、纳米尺度诱导制备周期性功能结构和器件的有力工具，在先进材料、智能机械、通信传感等众多领域具有广阔的应用前景。本项目主要研究了飞秒激光诱导制备三维仿生复眼周期性微纳结构的方法、机制、工艺和应用。利用近红外飞秒激光脉冲，通过直写诱导、瞬态相干和高速扫描等方法，在半导体、金属表面以及透明材料内部诱导制备出了多种复眼微纳结构；同时，结合相关理论模型和实验中的新现象，对飞秒激光诱导制备复眼微纳结构的物理机制进行了探讨，并探索了这些微纳结构的潜在应用。主要包括以下三个方面：.第一，理论和实验研究了仿生复眼多尺度结构耦合建模问题。考虑生物形态、微/纳复合结构和材料，开展对生物复眼的特性特别是理化特性研究，在生物复眼的选取上，主要针对有代表性的蜻蜓复眼特性深入分析，复眼是蜻蜓的主要视觉器官和快速获得信息的中心，在深入研究蜻蜓复眼结构和信息处理规律的基础上，提取生物复眼原型建模。分析机制耦合和协同作用的生物耦元因素，辨别复眼耦合功能、特性及其类别，揭示各耦元之间耦合机制与规律，各耦元及其特征对多元耦合的贡献度。.第二，实验研究了飞秒激光诱导材料表面大范围复眼周期性微纳结构。通过比较分析在不同作用条件下飞秒激光诱导材料表面周期性微纳结构的微观形貌特征，周期性微纳结构的形成是一系列复杂物理过程综合作用的结果，包含了干涉机制、热效应、冲击波效应等在内的多种机制。其中，在高强度激光作用下，热效应和冲击波效应等机制占主导作用；而在弱强度激光作用下诱导周期性微纳结构的过程以干涉机制为主。同时，在液体辅助条件下开展了飞秒激光辐照金属表面诱导功能结构的研究，发现液态环境能够大幅度降低热损伤和烧蚀阈值，而表面结构的形貌也与液态环境密切相关，通过这种方法可以获得更为精细的纳米级周期结构。 .第三，开展了飞秒激光在透明介质内部诱导微孔洞的研究，实现了多脉冲和单脉冲两种条件下飞秒激光在透明介质内部诱导微孔洞及三维微孔洞阵列。一方面，通过逐点制备的方式利用紧聚焦的多个飞秒激光脉冲在石英玻璃内部诱导出了微孔洞，并利用逐点逐层的方式制备出了三维微孔洞阵列；另一方面，通过激光高速扫描获得了单个飞秒脉冲，对单脉冲诱导微孔洞序列的形成机理进行了探讨后，利用单脉冲诱导微孔洞序列的方式在石英玻璃内部诱导出大规模的三维周期性微孔洞序列。