CN102183809A

CN102183809A - 激光全息透镜的制作方法

Info

Publication number: CN102183809A
Application number: CN2011101183665A
Authority: CN
Inventors: 史晓华; 陈沁�
Original assignee: SUZHOU GUANGDUO MICRO NANO-DEVICE Co Ltd
Current assignee: SUZHOU GUANGDUO MICRO NANO-DEVICE Co Ltd
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种激光全息透镜的制作方法，包括以下步骤：1）根据应用要求，基于光的衍射原理，利用计算机软件计算出所要制作的全息界面结构；2）应用微细加工技术，将步骤1）计算得出的全息界面结构刻蚀到基板上，制作出激光全息透镜的母体；3）利用纳米压印技术，将步骤2）得到的母体上的全息界面结构压印于透镜基材上，制作出激光全息透镜；本发明利用计算机预先计算设计全息界面结构，全息界面结构可根据应用要求灵活变化，再将该全息界面结构刻蚀到基板上，得到激光全息透镜的母体，利用该母体，即可快速廉价的大规模复制激光全息透镜，整个工艺过程简单快速，成本低廉。

Description

激光全息透镜的制作方法

技术领域

本发明属于微纳米器件制作技术领域，具体涉及一种激光全息透镜的制作方法。

背景技术

微纳米器件制作工艺，为近十多年来兴起的随着光电子应用领域，通讯领域，生物探测领域的发展需要而诞生的高新技术。即在半导体，金属及其它各种材料上，根据应用需要，制作出尺寸在微米级或纳米级的结构，此结构结合材料本身的特性，具有独特的应用。微纳米器件制作的主要工艺流程，包括电子束写版技术，紫外光写版技术，离子体蚀刻技术，金属蒸镀技术等。

激光全息透镜，即基于光的衍射原理，根据光学的应用要求而产生的复杂的全息界面透镜。基于微纳米器件制作工艺所制作的激光全息透镜具有广阔的实际应用前景，根据不同的应用要求，制作出具有各种各样功能模式的激光全息透镜，应用于各类光学设备中，可达到简化逻辑光路，提高设备性能等诸多效果。

太赫兹是激光全息透镜一个新兴的应用领域。太赫兹（THz）辐射是指频率从0.1到10THz的电磁波（波长范围0.03mm至3mm），其波长在红外线和微波之间，具有介于两种射线之间的优点：具有很高的穿透能力；在高空间清晰度的情况下，射线的散射又很小。得益于太赫兹波的极大潜在应用价值及商业市场，随着太赫兹技术和产品应用的不断推广，应用于太赫兹频域的激光全息透镜在国内外都将具有极其广阔的市场前景；此外，在制作过程中，由于太赫兹波长较长，能容忍较高的制作偏差，从而使制作工艺具有较高的可重复性，进而能进行大规模的产业化生产。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光全息透镜的制作方法，可根据应用要求灵活变化，制作出各种激光全息透镜，且整个工艺过程简单快速，成本低廉，可进行大规模产业化生产。

本发明的激光全息透镜的制作方法，包括以下步骤：

1）根据应用要求，基于光的衍射原理，利用计算机软件计算出所要制作的全息界面结构；

2）应用微细加工技术，将步骤1）计算得出的全息界面结构刻蚀到基板上，制作出激光全息透镜的母体；

3）利用纳米压印技术，将步骤2）得到的母体上的全息界面结构压印于透镜基材上，制作出激光全息透镜。

进一步，所述步骤1）中，将所述全息界面结构进一步分解为两个以上的面版，所有面版叠合在一起即还原了原界面结构；所述步骤2）中，应用微细加工技术，分别制作出步骤1）中的所有面版，再依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上，基板上最终得到所要制作的全息界面结构，制作出激光全息透镜的母体。

进一步，所述步骤2）中，制作面版的具体步骤为：

A. 在不透明的底板上涂覆电子束胶；

B. 按照设计的面版结构对电子束胶进行电子束曝光；

C. 显影获得电子束胶上的面版结构；

D. 以电子束胶为掩模对底板进行刻蚀，在底板上刻蚀出透明部分；

E. 去除残余电子束胶完成面版的制作。

进一步，所述步骤2）中，依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上的具体步骤为：

a. 在基板上涂覆光刻胶；

b. 以第一个面版为滤光板对光刻胶进行曝光；

c. 显影获得光刻胶上的面版结构；

d. 以光刻胶为掩模对基板进行刻蚀，即将第一个面版上的结构刻蚀到基板上；

e. 去除残余光刻胶；

f. 重复上述a ~ e步，依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上。

进一步，所述光刻胶为SU8。

进一步，所述步骤a中，先在基板上沉积二氧化硅，再在二氧化硅上涂覆光刻胶；所述步骤d中，以光刻胶为掩模，先对二氧化硅进行刻蚀，再对基板进行刻蚀；所述步骤e中，经过HF刻蚀二氧化硅来去除残余光刻胶。

进一步，所述步骤b中，所述曝光为紫外线曝光；所述步骤d中，所述刻蚀为等离子体刻蚀。

进一步，所述面版为三个。

进一步，所述步骤2）中，所述基板为硅基板。

进一步，所述步骤3）中，所述透镜基材为聚丙烯，所述纳米压印技术为热压印技术。

本发明的有益效果在于：本发明利用计算机预先计算设计全息界面结构，全息界面结构可根据应用要求灵活变化，再将该全息界面结构刻蚀到基板上，得到激光全息透镜的母体，利用该母体，即可快速廉价的大规模复制激光全息透镜，整个工艺过程简单快速，成本低廉；另外，针对直接刻蚀仅能制作出两层结构，不能制作出曲面、斜面等复杂结构的缺陷，本发明还提供了一种分层套刻的方法，将复杂的结构分解为两个以上的面版，再依次将面版上的结构叠加刻蚀到基板上，最终形成多层结构，基板上得到所设计的全息界面结构。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为计算机软件计算出的全息界面结构；

图2为全息界面结构分解出的三个面版；

图3为制作面版的工艺流程示意图；

图4为将第一个面版上的结构刻蚀到基板上的工艺流程示意图；

图5为将第二个面版上的结构叠加刻蚀到基板上的工艺流程示意图；

图6为将第三个面版上的结构叠加刻蚀到基板上的工艺流程示意图；

图7为激光全息透镜母体上的全息界面结构照片；

图8为压印于透镜基材上的全息界面结构照片；

图9为热压印过程示意图；

图10为菲涅尔透镜的性能测量结果；

图11为光点阵衍射透镜的性能测量结果；

图12为激光能量分布转换透镜的性能测量结果。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的激光全息透镜的制作方法，包括以下步骤：

1）根据应用要求，基于光的衍射原理，利用计算机软件计算出所要制作的全息界面结构，如图1所示；将图1的全息界面结构进一步分解为三个面版，如图2所示，1、2、3三个面版叠合在一起即还原了原界面结构；虽然全息界面结构分解为越多的面版，基板上最终得到的全息界面结构越精确，但加工工艺也越复杂繁琐，将全息界面结构分解为三个面版最为平衡；当然，如果所要制作的全息界面结构简单，也可不分解全息界面结构，而在后续步骤中利用微细加工技术直接将该全息界面结构刻蚀到基板上。

2）应用微细加工技术，分别制作出步骤1）中的所有面版，再依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上，基板上最终得到所要制作的全息界面结构，制作出激光全息透镜的母体。

如图3所示，制作面版的具体步骤为：

A. 在不透明的底板4上涂覆电子束胶5（比如PMMA）；

B. 按照设计的面版结构对电子束胶5进行电子束曝光；

C. 显影获得电子束胶5上的面版结构；

D. 以电子束胶5为掩模对底板4进行刻蚀，在底板4上刻蚀出透明部分；

E. 去除残余电子束胶5完成面版的制作。

本实施例中，所述不透明的底板4为在石英板上镀上一层不透明膜，以电子束胶5为掩模，将石英板上相应位置的不透明膜刻蚀掉，即在底板4上刻蚀出透明部分；当然，还可以采用其它不透明的底板，以电子束胶为掩模，在不透明的底板上刻蚀出孔洞，即在底板4上刻蚀出透明部分。

依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上的具体步骤为：

a. 先在基板6上沉积二氧化硅7，再在二氧化硅7上涂覆光刻胶8；光刻胶优选为SU8，因为SU8的填充较为严实，且填充完成后表面平整；由于光刻胶不容易去除，因此本实施例在光刻胶与基板之间设置二氧化硅层，以通过刻蚀掉二氧化硅层来去除残余光刻胶；

b. 以面版1为滤光板对光刻胶8进行曝光；

c. 显影获得光刻胶8上的面版结构；

d. 以光刻胶8为掩模，先对二氧化硅7进行刻蚀，再对基板6进行刻蚀，即将面版1上的结构刻蚀到基板6上；

e. 经过HF刻蚀二氧化硅7来去除残余光刻胶8；如图4所示，此时基板上具有两层结构；

f. 如图5所示，重复上述a ~ e步，将面版2上的结构叠加刻蚀到基板上，此时基板上形成四层结构；如图6所示，再次重复上述a ~ e步，将面版3上的结构叠加刻蚀到基板上，此时基板上形成八层结构。本发明这种分层套刻的方法，克服了直接刻蚀仅能制作出两层结构，不能制作出曲面、斜面等复杂结构的缺陷，最终形成多层结构，基板上得到所设计的全息界面结构。

本实施例中，所述基板为硅基板；所述步骤b中，所述曝光为紫外线曝光，紫外线曝光写版具有快速、简捷、大面积等优点，其可制作的最高精度为1微米；所述步骤d中，所述刻蚀为等离子体刻蚀，等离子体刻蚀法，是先进的半导体刻蚀技术，能够蚀刻各种半导体材料并达到高的纵横比和光滑的表面；当然，本发明并不仅限于使用紫外线曝光和等离子体刻蚀法，也可以采用其它微细加工技术。

3）利用纳米压印技术，将步骤2）得到的母体上的全息界面结构（如图7所示）压印于透镜基材上（如图8所示），制作出激光全息透镜；本实施例中，所述透镜基材为聚丙烯，所述纳米压印技术为热压印技术，如图9所示，利用加热底座9将母体10加热，然后利用重物11将聚丙烯12压入，待温度稍降后剥离即可；当然，本发明并不仅限于使用热压印技术，透镜基材也不仅限于聚丙烯。

本发明可根据不同的应用要求，制作出具有各种各样功能模式的激光全息透镜，应用于各类光学设备中，可达到简化逻辑光路，提高设备性能等诸多效果；其目前最直接现实的应用即可应用于太赫兹频域作为各种光学器件，例如：菲涅尔透镜，实现对2THz频率光在经过透镜聚焦后光能量提高70倍（测量结果如图10所示）；光点阵衍射透镜，经过透镜后成功实现3X3的光点阵（测量结果如图11所示）；激光能量分布转换透镜，经过透镜后将高斯分布的激光能量转化为平顶分布（测量结果如图12所示）。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种激光全息透镜的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

2. 根据权利要求1所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤1）中，将所述全息界面结构进一步分解为两个以上的面版，所有面版叠合在一起即还原了原界面结构；所述步骤2）中，应用微细加工技术，分别制作出步骤1）中的所有面版，再依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上，基板上最终得到所要制作的全息界面结构，制作出激光全息透镜的母体。

3.根据权利要求2所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中，制作面版的具体步骤为：

A. 在不透明的底板上涂覆电子束胶；

B. 按照设计的面版结构对电子束胶进行电子束曝光；

C. 显影获得电子束胶上的面版结构；

E. 去除残余电子束胶完成面版的制作。

4.根据权利要求2所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中，依次将所有面版上的结构叠加刻蚀到基板上的具体步骤为：

a. 在基板上涂覆光刻胶；

b. 以第一个面版为滤光板对光刻胶进行曝光；

c. 显影获得光刻胶上的面版结构；

e. 去除残余光刻胶；

5.根据权利要求4所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述光刻胶为SU8。

6.根据权利要求4所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤a中，先在基板上沉积二氧化硅，再在二氧化硅上涂覆光刻胶；所述步骤d中，以光刻胶为掩模，先对二氧化硅进行刻蚀，再对基板进行刻蚀；所述步骤e中，经过HF刻蚀二氧化硅来去除残余光刻胶。

7.根据权利要求4所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤b中，所述曝光为紫外线曝光；所述步骤d中，所述刻蚀为等离子体刻蚀。

8.根据权利要求2至7任意一项所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述面版为三个。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述基板为硅基板。

10. 根据权利要求1至7任意一项所述的激光全息透镜的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述透镜基材为聚丙烯，所述纳米压印技术为热压印技术。