CN101082769A - 面浮雕微结构达曼光栅的复制方法 - Google Patents
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Abstract
一种面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,其特点是利用聚二甲基硅氧烷制作面浮雕微结构达曼光栅模具,紫外胶作为复制材料,利用压印技术将面浮雕微结构达曼光栅复制在玻璃基板上的紫外胶上。本发明方法具有工艺简单、成本低、制造周期短和可大批量生产等优点。
Description
技术领域
本专利涉及达曼光栅,特别是一种面浮雕微结构达曼光栅的复制方法。
背景技术
达曼光栅是非常重要的一种光学元件,被广泛的应用于光学测量、集成光学、光通信和光信息处理等领域。面浮雕微结构达曼光栅主要采用微电子工艺制造,成本高,不适合大批量的生产。将微结构光栅制造技术和微结构复制技术相结合,是一条低成本批量生产微结构达曼光栅的有效方法。
目前面浮雕微结构光学器件的复制技术主要有热压(hot embossing),注塑成型(injecting moulding),铸造与紫外复制(casting and UV-embossing)和溶胶-凝胶(sol-gel)几种方法。
以上几种方法通常需要在原始面浮雕结构上用电镀的方法形成一种金属复制工具,大部分为制造复制工具的微结构所使用的电镀过程都是由电镀镍来实现的。这种工艺的基本操作步骤如下:原版的表面通常是一种非导电材料,首先,必须镀上一层薄金属层,为随后的电镀形成导电层,然后导电基板在镍电镀槽中进行电镀产生一个耐用的镍复制品,该复制品可以毫无损伤地与原版脱离。
热压(hot embossing)就是指用冲压机、滚压机或者称之为往复式的复制系统将表面浮雕微结构热压在热塑性的薄片中。典型的聚合物包括聚氯乙烯(polyvinyl)聚碳酸酯(polycarbonate,简称为PC)。通常的做法是将镍模板和聚碳酸酯(PC)片放置在一块玻璃平板上,在加压的条件下加热至远高于塑料的软化温度Tg之上,当除去压力并冷却至Tg温度以下时,塑料胶片就可以和镍模版相分离,得到平面微结构的复制品。这种技术尤其适用于复制浅型微结构和无特征尺寸要求、无需高纵横比的深型结构。
注塑成型(injecting moulding)技术被广泛地应用于消费领域和工业塑料元件的大规模生产中,是指被熔化的塑料在高压条件下,在一个含有被复制的浮雕微结构的温控模具内逐步成型,塑料被取出之前在模具中冷却和固化,形成高保真度的微结构复制品。最常用的材料是聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。这种技术可以生产高分辨率的复制品,以及在冷却后就可使复制后的塑料与模具分离,适合亚微米和深浮雕特征的高精度复制,但一般来说不能够同时满足许多衍射光学元件微结构对高分辨率和深微结构的要求。
铸造和紫外复制(casting and UV-embossing),是指将树脂涂于模板表面,然后使其凝固,分离得到复制品的方法。紫外复制技术是通过紫外辐射固化,将铸造技术与快速固化相结合的一种技术。复制的基本方法为:镍板镀上一层薄的紫外固化材料(光敏胶),并且将它面对玻璃基板放置,随后被加压固化,并在固化后分离,使微结构复制在基板上的薄的聚合物模层内。镍板上可以喷涂一层分离膜,以帮助分离。这种技术特别适合于高分辨率和深微结构的精确复制。
溶胶凝胶(sol-gel)法是指表面浮雕微结构复制在SiO2基底材料上的一种复制方法。这种方法首先将微光学元件母版用传统的复制方法复制在塑料材料中,这种塑料元件就成为sol-gel复制工艺的模子,然后用sol-gel技术将模子结构复制到SiO2材料中。其工艺过程包括:混合、浇铸、凝胶、老化、干燥和密化六个工序。这种方法的最主要优点就是能将微结构复制到SiO2这种理想的光学材料中,而且复制表面结构尺寸范围很宽,其特征尺寸可以从毫米到亚微米范围,并且能复制多种复杂的表面,包括凹凸面、非球面、闪耀面、多台阶面等。
压印(imprint)技术是由Whiteside等提出并发展起来用于制造微米到纳米量级的微结构的一种方法。聚二甲基硅氧烷(以下简称聚二甲基硅氧烷)由于具有低的自由表面能,易和其它材料分离而且分辨率高,在压印技术中常用来作为模具材料。Whitesides等人利用聚二甲基硅氧烷作模具制造了均匀线宽周期性的一维表面浮雕结构【参见在先技术:Whitesides etal.,Science,273,347(1996)】。但是Whitesides等人是利用制作在硅衬底光刻胶上的浮雕结构作为模版。由于光刻胶的化学稳定性和热稳定性较差,工作波长有一定的限制,而且光刻胶的硬度较小和衬底的粘着力不强,光刻胶容易和硅衬底脱离,所以在制作聚二甲基硅氧烷模具时工艺较难控制,并且所复制的微结构直接制作在聚亚安酯(PU)类的光敏聚合物材料上,这类材料硬度较小,容易变形。由于模版是制作在硅衬底上的光刻胶上和复制材料与模版材料的折射率相差较大,这种制作方法并不能用来复制透射性的光栅结构。
综上所述,现有技术的不足可归纳如下:
首先,现有的复制方法大都需要制造一个金属模子,需要在玻璃光栅上镀一层金属膜,然后再电镀一个镍模子,制造模子的工艺复杂,造价高,而且制造周期也很长。
其次,热压和注塑成型复制方法需要专用的复制设备,而且复制中需要高温高压,对于小的特征尺寸和高的纵横比的深型微结构很难能作到精确复制。
第三,复制用材料,热塑性塑料的折射率和玻璃的折射率相差较大,复制后的光栅和原光栅的光学特性不完全一致。铸造与紫外复制虽然复制材料采用和玻璃非常接近的紫外胶,但是仍然采用金属作为模具,工艺复杂,成本较高。溶胶凝胶方法工艺更加复杂,而且溶胶凝胶材料高的收缩率一直无法很好的解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,该方法应具有工艺简单、成本低、制造周期短和可以大批量生产等优点。
本发明的技术解决方案如下:
一种面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,其特点是利用聚二甲基硅氧烷制作面浮雕微结构达曼光栅模具,紫外胶作为复制材料,利用压印技术将面浮雕微结构达曼光栅复制在玻璃基板上的紫外胶上。
所述的面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,包括下列具体步骤:
①将需要复制的表面无灰尘、无油污的面浮雕微结构达曼光栅放入塑料培养皿中,光栅面朝上;
②将混合好的聚二甲基硅氧烷倒入该培养皿中,聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度控制在3~5mm。
③热固化聚二甲基硅氧烷薄膜,固化温度在25℃到100℃之间,固化完全后,沿着光栅槽的方向从一侧揭起该聚二甲基硅氧烷薄膜,使其和达曼光栅分离,得到一个和原面浮雕微结构达曼光栅表面形貌相反的聚二甲基硅氧烷模具;
④选用粘滞系数小于500厘泊,硬度大于7的紫外胶滴在一玻璃基板的表面,将所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直轻压在所述的紫外胶的表面,静置几分钟后,该紫外胶完全充满所述的聚二甲基硅氧烷模具的沟槽后,放在紫外光下固化;
⑤固化完全后,沿着光栅槽的方向从一侧揭起所述的聚二甲基硅氧烷模具,使其和紫外胶分离,在所述的玻璃基板上的紫外胶上得到所需要的复制的面浮雕微结构达曼光栅。
本发明的技术效果以下:
第一,本发明所要复制的母光栅采用玻璃制造,采用聚二甲基硅氧烷作模具,玻璃(或石英)由于具有优良的光学性质和良好的物理化学稳定性,玻璃(或石英)衬底的微结构光栅正受到越来越大的重视,而且利用湿法(或干法)腐蚀方法,可以得到深刻蚀的高密度微结构光栅。由于玻璃的硬度较大,所以在制作聚二甲基硅氧烷时工艺比较容易控制,浮雕形貌控制较好,所以开发玻璃衬底的微结构光栅复制方法具有重要的实际意义。一维达曼光栅是具有非均匀线宽的面浮雕微结构,二维达曼光栅是具有方型岛状的面浮雕结构,利用压印技术可以精确的复制出具有非均匀线宽和方形岛状浮雕结构的达曼光栅。
第二,复制的光栅是制作在玻璃基板上的紫外胶上的,由于紫外胶的折射率和玻璃非常接近,而且具有良好的光学性能,所以复制光栅和母光栅具有非常相似的光学性能。
第三,采用玻璃作为基底材料,利用紫外胶和玻璃很强的粘着力以及玻璃很高的硬度,便于光栅的复制。
第四,光栅复制是降低光栅制造成本,实现大批量生产的理想途径。由于本发明方法相与现有的其它方法相比,具有工艺简单、成本低、制造周期短和可以大批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明的实施例1,1×6一维达曼光栅示意图
图2为本发明的实施例2,8×16的二维达曼光栅示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,包括下列步骤:
①将需要复制的表面无灰尘、无油污的面浮雕微结构达曼光栅放入塑料培养皿中,光栅面朝上;
②将混合好的聚二甲基硅氧烷倒入该培养皿中,聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度控制在3~5mm。
③热固化聚二甲基硅氧烷薄膜,固化温度在25℃到100℃之间,固化完全后,沿着光栅槽的方向从一侧揭起该聚二甲基硅氧烷薄膜,使其和达曼光栅分离,得到一个和原面浮雕微结构达曼光栅表面形貌相反的聚二甲基硅氧烷模具;
④选用粘滞系数小于500厘泊,硬度大于7的紫外胶滴在一玻璃基板的表面,将所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直轻压在所述的紫外胶的表面,静置几分钟后,该紫外胶完全充满所述的聚二甲基硅氧烷模具的沟槽后,放在紫外光下固化;
⑤固化完全后,沿着光栅槽的方向从一侧揭起所述的聚二甲基硅氧烷模具,使其和紫外胶分离,在所述的玻璃基板上的紫外胶上得到所需要的复制的面浮雕微结构达曼光栅。
实施例1
我们利用聚二甲基硅氧烷(聚二甲基硅氧烷,Sylgard184,Dow Coring)来制作光栅模具,先把聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂按照重量比为10∶1的比例混合,搅拌均匀,如果产生气泡则需要经过真空脱泡处理,真空脱泡的时间取决于搅拌过程中混入的气泡量;脱泡完成后把聚二甲基硅氧烷均匀的涂覆在达曼光栅的表面,然后室温固化48个小时或者高温固化,高温固化可以减少固化时间,我们在90℃下固化一小时,待聚二甲基硅氧烷完全固化后,聚二甲基硅氧烷和达曼光栅可以很容易地分离。
得到聚二甲基硅氧烷模具后就可以把达曼光栅复制到紫外胶上,我们使用低粘度系数的紫外胶(NOA61,Norland)作为复制光栅的材料,粘度系数为300厘泊,硬度为8。先在干净的玻璃基片上滴一滴NOA61,把所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直压印在NOA61胶的上面,待其完全充满模具的沟槽后放在70W的汞灯下固化,固化时间为20分钟,当NOA61胶完全固化后就可以容易地分离聚二甲基硅氧烷模具,得到复制达曼光栅。
图1给出了本发明的实施例1,1×6一维达曼光栅的示意图,光栅周期是50μm,浮雕深度为0.576μm。
图2为本发明的实施例2,8×16的二维达曼光栅的示意图,在8和16光点方向上的周期分别为250μm和500μm,浮雕深度为0.528μm。
由于达曼光栅具有非均匀的线宽和方形岛状浮雕结构等特点,面浮雕微结构达曼光栅的复制技术中,压印技术尤其是紫外压印技术有其独特的优点。其一,聚二甲基硅氧烷模具的制作相对于金属模具的制作工艺要简单的多,而且分辨率也要远高于金属模具;其二,复制过程中不需要高温高压的条件,不需要专门的加工设备,造价低;其三、紫外胶的折射率和玻璃的折射率非常接近,对于复制玻璃基底的面浮雕微结构更有其独特的优点;其四、制作周期短,紫外胶的固化时间短,通常几分钟的时间就能固化完全。总之,压印技术复制面浮雕微结构达曼光栅具有精度高、工艺简单、造价低、可以大规模制造等优点,在达曼光栅的制造中有很重要的应用。特别是本发明的利用紫外压印技术复制面浮雕微结构达曼光栅,充分利用了聚二甲基硅氧烷模具分辨率高、制作简单和紫外胶固化速度快、折射率和玻璃的折射率接近等优点,可以大批量、低成本的生产。复制后的达曼光栅性能稳定、可靠,是实现达曼光栅大规模生产的一条重要途径。
Claims (2)
1、一种面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,其特征是利用聚二甲基硅氧烷制作面浮雕微结构达曼光栅模具,紫外胶作为复制材料,利用压印技术将面浮雕微结构达曼光栅复制在玻璃基板上的紫外胶上。
2、根据权利要求1所述的面浮雕微结构达曼光栅的复制方法,其特征在于包括下列步骤:
①将需要复制的表面无灰尘、无油污的面浮雕微结构达曼光栅放入塑料培养皿中,光栅面朝上;
②将混合好的聚二甲基硅氧烷倒入该培养皿中,聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度控制在3~5mm。
③热固化聚二甲基硅氧烷薄膜,固化温度在25℃到100℃之间,固化完全后,沿着光栅槽的方向从一侧揭起该聚二甲基硅氧烷薄膜,使其和达曼光栅分离,得到一个和原面浮雕微结构达曼光栅表面形貌相反的聚二甲基硅氧烷模具;
④选用粘滞系数小于500厘泊,硬度大于7的紫外胶滴在一玻璃基板的表面,将所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直轻压在所述的紫外胶的表面,静置几分钟后,该紫外胶完全充满所述的聚二甲基硅氧烷模具的沟槽后,放在紫外光下固化;
⑤固化完全后,沿着光栅槽的方向从一侧揭起所述的聚二甲基硅氧烷模具,使其和紫外胶分离,在所述的玻璃基板上的紫外胶上得到所需要的复制的面浮雕微结构达曼光栅。
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