CN101571603A - 应用飞秒激光在石英玻璃基体上制备微光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种应用飞秒激光在石英玻璃基底上制备微光学元件的方法，其特征在于包括下列步骤：飞秒激光辐照、化学腐蚀和氢氧焰抛光三步，本发明方法可以实现任意面型，包括平面、标准球面、非球面等的加工；氢氧火焰抛光，生成物只有水，对环境友好，抛光速度快，同时避开了物理接触、化学反应，火焰的高温可以修复微加工造成的晶格损伤，解决了普通抛轮无法解决的难题。

Description

应用飞秒激光在石英玻璃基体上制备微光学元件的方法

技术领域

本发明涉及微光学元件加工，特别是一种应用飞秒激光在石英玻璃基体上制备微微光学元件的方法。

背景技术

微光学元件，尤其是微透镜和微透镜阵列等在光刻机系统、光学显微成像、光通信等领域具有广泛应用，近年来它又在芯片实验室系统中扮演着重要角色。其制作工艺主要是软刻蚀技术(参见J.Chen，W.Wang et al.，J.Micromech.Microeng.，Vol.14，P 675，2004)或压印技术(参见C.Chang，S.Yang et al.，Rapid fabrication of ultraviolet-cured polymer microlens arrays by softroller stamping process.Microelectronic Engineering，Vol.84，P 355，2007)等，所用基底材料主要是透明有机聚合物材料，而其它例如离子束加工法、电子束加工法等虽然加工精度高，却需要昂贵的真空设备和复杂的运动机构。玻璃材料的光学、热学和机械性能等都要优于这些聚合物材料，目前在玻璃基底上制备微光学元件的技术仍然存在许多挑战。

飞秒激光微加工技术以其加工精度高、热效应小和可以对透明材料实现三维微加工等优点在当代微制造领域中独树一帜，已在微电子、微光学、微机电系统和生物医学等领域中体现出重要应用前景。利用飞秒激光辐照致使材料改性，然后结合后期的化学腐蚀和热处理，已在一种名为Foturan的光敏玻璃中制备出三维微柱面和微球面透镜(参见Y.Cheng，H.L.Tsai et al.，Applied Physics A，Vol.85，P 11，2006)以及微反射镜(参见Y.Cheng，K.Sugioka et al.，OpticsLetters，Vol.28，P 1144，2003)。该方法需要多次复杂的退火处理，并且这种Foturan光敏玻璃价格昂贵不易获取，其光热特性较之熔石英材料差距较大，因此不适合用于光学元件加工应用，而利用飞秒激光在石英玻璃中制备微光学元件的方法至今悬而未决。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种应用飞秒激光在石英玻璃衬底制备微光学元件的方法，以开拓飞秒激光在石英玻璃基底中制备微透镜、微反射镜等一类需要极高表面光洁度的微光学元件的方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种应用飞秒激光在石英玻璃基底上制备微光学元件的方法，其特点在于包括下列步骤：

(1)飞秒激光辐照：将石英玻璃基底置于三维精密平台上，通过透镜将飞秒激光聚焦在所述的石英玻璃基底上，通过计算机编程控制所述的三维精密平台的运动，使飞秒激光在所述的石英玻璃基底上直写出微光学元件的轮廓形貌，形成具有所述微光学元件结构图案的石英玻璃基底；

(2)化学腐蚀：用氢氟酸溶液超声清洗具有所述微光学元件结构图案的石英玻璃基底，氢氟酸溶液选择性地去除被辐照区域，生成微光学元件结构，然后利用酒精超声清洗所述的微光学元件结构；

(3)氢氧焰抛光：最后用火焰温度等于或低于石英玻璃的熔点或软化温度的氢氧火焰来回均匀地扫描所述的器件微结构的表面，以获得表面平滑光洁的微光学元件。

所述的微光学元件的轮廓直写时，需将三维轮廓沿着激光传播方向均匀分割为多层二维图案，沿z方向自上而下传播的高斯光束经过透镜聚焦以后，其光强分布为：

$I(x,y,z)=\frac{1}{1+z^2/z_0^2}\exp \left[\frac{-2(x^2+y^2)}{w_0^2(1+z^2/z_0^2)}\right]$

其中：ω₀＝λ/f^*π是焦点处的束腰半径，所述的透镜为显微物镜时，则衍射极限条件下的光斑大小为ω₀＝0.61λ/f^*，

z₀＝kω₀ ²/2是相应的瑞利长度，

λ为飞秒激光的波长，

f^*为聚焦透镜的数值孔径，

为了使飞秒激光均匀而完整地扫描出光学元件的三维轮廓，在对图案分层时第i层和第i+1层上的相邻点(x_i，y_i，z_i)和(x_i+1，y_i+1，z_i+1)的位置必须满足如下条件：

Δx＝|x_i+1-x_i|≤2ω₀

Δy＝|y_i+1-y_i|≤2ω₀

Δz＝|z_i+1-z_i|≤2z₀

此外，在扫描时必须按照从下向上的顺序分层扫描，飞秒激光脉冲聚焦到石英玻璃仅焦点区的辐照功率超过该石英玻璃的光学损伤阈值。如果是从上向下扫描，那么在扫描下一层时，上一层飞秒激光辐照后的区域会因变色而对向下传播的激光束造成散射，从而造成部分能量的损失。

因为焦点区辐照功率超过玻璃的光学损伤阈值，则仅有位于焦点局域区的玻璃被改性，激光辐照区被氢氟酸水溶液腐蚀的速率是非辐照区的30～50倍，从而可以用化学腐蚀的方法选择性去除被改性的玻璃，生成微结构。

使用氢氧焰抛光时，火焰温度以接近但不超过石英玻璃的软化温度为宜，腐蚀区的微凸起结构会在高温下微融成液相，在液体表面张力的作用下，为了维持最小的表面能和表面积，腐蚀区的面型将趋向平滑光洁，抛光后微结构面形可以实现较高光洁度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用飞秒激光微加工技术在材料内部直写微光学元件的三维面形，实现了无掩膜的三维图案成型；此方法灵活简单，可以实现任意面型，包括平面、标准球面、非球面等的加工；且由于飞秒激光加工热效应小，可以实现突破衍射极限的高精度加工；

2、所采用的石英玻璃基底具有优良的光学和电学性质，高温粘性低，软化温度高，热膨胀系数小，对深紫外到短波红外(190nm～3.5μm)的光透过性好，低荧光，具有生物良性表面，能兼容所有的生物、工业流体(氢氟酸除外)，是芯片实验室系统的理想基底材料；

3、采用氢氧火焰抛光，生成物只有水，对环境友好，抛光速度快，同时避开了物理接触、化学反应，火焰的高温可以修复微加工造成的晶格损伤；特别适合各类玻璃、晶体因雕刻或切割所造成的毛侧边、凹陷面、内孔、曲边等异型边角边侧的快速透明抛光，解决了普通抛轮无法做到的难题。

附图说明

图1是本发明应用飞秒激光在石英玻璃基底上制备微光学元件的流程示意图。

图2是飞秒激光微加工装置示意图。

图3是应用飞秒激光扫描微反射镜结构轮廓示意图。

图4是应用飞秒激光扫描微透镜的圆柱侧面轮廓示意图。

图5是应用飞秒激光扫描微透镜的球面轮廓示意图。

图6是微透镜的球面轮廓分层结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图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。

先请参阅图1，图1是本发明应用飞秒激光在石英玻璃基底上制备微光学元件的流程示意图，本发明应用飞秒激光在石英玻璃基底上制备微光学元件的流程包括三步：(1)飞秒激光辐照；(2)化学腐蚀；(3)氢氧焰抛光。

图2为本发明飞秒激光微加工装置结构示意图：从激光器4输出的飞秒激光脉冲宽度为40fs，单脉冲激光能量为2.5mJ，中心波长为800nm，重复频率为1kHz；飞秒激光经过半波片5和格兰棱镜6调节其能量，然后通过小孔7调节光斑尺寸和光束质量，依次经过双色镜8(对800nm的光高反，对白光高透)、双色镜9(对800nm的光高透，对白光半透半反)后由聚焦物镜10聚焦；将石英玻璃基片11(5mm×10mm大小，厚度为2mm，且上下两个表面抛光)放置在三维精密平台12上，该平台由计算机16编程控制其位移；飞秒激光作用区在照明光源13的照明下，经显微物镜10和透镜14成像并由CCD15接受显示在计算机16的屏幕上，可以实现对飞秒激光微加工的实时监控。

本发明在具体实施时，调节飞秒激光单脉冲能量为15μJ，所采用聚焦物镜的数值孔径为0.46，焦点处光斑的束腰半径约为1μm，瑞利长度为5μm，在应用飞秒激光扫描时，控制平移台的扫描速度为100μm/s。应用本发明制作微光学元件的实例如下：

实施例一：微反射镜制备

在扫描微反射镜的轮廓时，需要从石英玻璃基底下表面由下向上表面依次分层扫描出平行线，依照本发明中对三维图案进行分层扫描的条件，选择相邻两层平行线之间的间距为Δh＝10μm，如图3所示，即将所述的三维精密平台沿着-z方向移动10μm后作直线扫描辐照。飞秒激光辐照过后，将石英玻璃样品置至于10％氢氟酸水溶液中并辅助以超声波清洗约3小时，直至飞秒激光辐照区被选择性地腐蚀掉。取出玻璃样品用酒精超声清洗后烘干，并将其至于高温耐火砖上，用氢氧焰枪对准微透镜区域抛光约5分钟，火焰温度以接近但不超过石英玻璃的软化温度1730℃，最后可以形成内壁光洁的微反射镜。

实施例二：微透镜制备

在扫描微透镜轮廓时，需将此微透镜轮廓分解为圆柱面和微球面，并依次用飞秒激光扫描。在扫描圆柱面时，依照本发明中对三维图案进行分层扫描的条件，选择相邻两层平行圆面之间的间距为Δh＝10μm，如图4所示，即将三维精密平台沿着z方向移动10μm后进行圆扫描辐照；在扫描微透镜的球面时，由于每一层圆环的半径并不相同，为了使激光能够均匀辐照，扫描微透镜的过程中需要保持相邻两个扫描层之间的弧线长度为Δs＝2μm(图5)不变，若微透镜半径为r，第i层圆环线的点(x_i，y_i，z_i)按照柱坐标系(图6)可表示为：

x_i＝rcosθ

y_i＝rcosθ

z_i＝rsinθ

Δs弧线长度对应的微小弧度为Δθ＝Δs/r，则第i层圆环的半径和高度分别为：

h_i＝r sinθ

ρ_i＝r cosθ

因此在扫描第i+1层时需编程控制所述的三维平台，使扫描圆环的半径变为：

ρ_i+1＝r cos(θ+Δθ)

同时将三维精密平台向-z方向移动Δh＝r sin(θ+Δθ)-r sinθ的距离。

按照上述方法依次扫描出微透镜的轮廓后，将石英玻璃置至于10％氢氟酸水溶液中并辅助以超声波清洗约约3小时，直到飞秒激光辐照区被选择性地腐蚀出来。取出玻璃样品用酒精超声清洗后烘干，并将其固定在高温耐火砖上，用氢氧焰枪对准微透镜区域抛光约5分钟，火焰温度接近但不超过石英玻璃的软化温度1730℃，最后形成光洁的微球面透镜。

实验表明，本发明方法可以实现任意面型，包括平面、标准球面、非球面等的加工；氢氧火焰抛光，生成物只有水，对环境友好，抛光速度快，同时避开了物理接触、化学反应，火焰的高温可以修复微加工造成的晶格损伤，解决了普通抛轮无法解决的难题。

Claims (3)

1、一种应用飞秒激光在石英玻璃基底上制备微光学元件的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)飞秒激光辐照：将石英玻璃基底置于三维精密平台上，通过透镜将飞秒激光聚焦在所述的石英玻璃基底上，通过计算机编程控制所述的三维精密平台的运动，使飞秒激光在所述的石英玻璃基底上直写出微光学元件的轮廓形貌，形成具有所述微光学元件结构图案的石英玻璃基底；

(2)化学腐蚀：用氢氟酸溶液超声清洗具有所述微光学元件结构图案的石英玻璃基底，氢氟酸溶液选择性地去除被辐照区域，生成微光学元件结构，然后利用酒精超声清洗所述的微光学元件结构；

(3)氢氧焰抛光：最后用火焰温度等于或低于石英玻璃的熔点或软化温度的氢氧火焰来回均匀地扫描所述的器件微结构的表面，以获得表面平滑光洁的微光学元件。

2、根据权利要求1所述的制备微光学元件的方法，其特征在于所述的微光学元件的轮廓直写时，需将三维轮廓沿着激光传播方向均匀分割为多层二维图案，沿z方向自上而下传播的高斯光束经过透镜聚焦以后，其光强分布为：

$I(x,y,z)=\frac{1}{1+z^2/z_0^2}\exp \left[\frac{-2(x^2+y^2)}{w_0^2(1+z^2/z_0^2)}\right]$

其中：ω₀＝λ/f^*π是焦点处的束腰半径，所述的透镜为显微物镜时，则衍射极限条件下的光斑大小为ω₀＝0.61λ/f^*，

z₀＝kω₀ ²/2是相应的瑞利长度，

λ为飞秒激光的波长，

f^*为聚焦透镜的数值孔径，

为了使飞秒激光均匀而完整地扫描出光学元件的三维轮廓，在对图案分层时第i层和第i+1层上的相邻点(x_i，y_i，z_i)和(x_i+1，y_i+1，z_i+1)的位置必须满足如下条件：

Δx＝|x_i+1-x_i|≤2ω₀

Δy＝|y_i+1-y_i|≤2ω₀

Δz＝|z_i+1-z_i|≤2z₀

此外，在扫描时必须按照从下向上的顺序分层扫描，飞秒激光脉冲聚焦到石英玻璃仅焦点区的辐照功率超过该石英玻璃的光学损伤阈值。

3、根据权利要求1所述的制备微光学元件的方法，其特征在于所述的氢氧焰抛光时的火焰温度接近但不超过石英玻璃的软化温度。

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