CN102757014A

CN102757014A - 一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法

Info

Publication number: CN102757014A
Application number: CN2012102077583A
Authority: CN
Inventors: 陈烽; 杨青; 邓泽方; 刘贺炜; 边浩; 杜广庆; 司金海; 侯洵
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102757014B

Abstract

一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法，将用于制备微透镜阵列的玻璃棒置于飞秒加工平台上；根据加工所需，控制飞秒加工平台的移动，同时控制单点的辐照，在玻璃棒表面烧蚀出所需的弹坑阵列；将带有烧蚀弹坑的玻璃棒置于氢氟酸稀释溶液中，并且用超声波水浴加热辅助，将玻璃棒从氢氟酸的稀释溶液中取出，在超声波水浴条件下，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗；即可得到表面具有微透镜阵列的玻璃棒；本发明利用飞秒激光逐点辐照辅助化学湿法刻蚀工艺，在玻璃棒表面实现了高质量的微透镜阵列的制备。

Description

一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光微纳加工和微光学器件的制备领域，特别涉及一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法。

背景技术

特殊曲面上分布的微透镜阵列，不仅保留了传统微透镜阵列的特点：每个小透镜能够独立地聚焦成像，并且每个透镜的通光孔径尺寸很小（一般为几个微米至几百个微米）、集成程度很高；而且具有其它特殊的性质。比如，将微透镜阵列均匀排列在球面上，每个透镜都能独立接受一定角度的光线，导致它的视角范围非常大，同时它在动态目标的捕捉方面具有非常大的优势；另外，将微透镜阵列均匀地分布在圆柱表面，也同样能够增大视场，增强对动态目标的捕捉能力；并且，带有微透镜阵列的圆柱体能够作模板，通过滚压印复制得到大面积的微透镜阵列。这些独特的光学性能在微光学成像、光通信、微光学分析领域存在潜在的应用，引起了国内外专家的广泛关注。近些年来，已经提出了各种透镜阵列的加工方法，主要有热回流、喷墨印刷、激光直写、软光刻等。这些加工方法都能够成功制备微透镜阵列，然而，这些工艺大多局限于平面加工，不能实现曲面上微透镜阵列的制备。经过对现有的技术的调研发现，目前能够实现在曲面上制备微透镜阵列的主要方法有：激光直写加工技术、软光刻技术、溶胶-凝胶技术、弹性模微透镜再铸模技术，以及表面起皱技术。然而，这些方法普遍存在很大的局限性：需要昂贵的加工设备或者特殊的加工材料，加工效率较低且加工的工艺复杂，因而加工成本比较高；另外，这些工艺制作出的曲面微透镜阵列精度不高，结构参数比较固定，不能够灵活调控。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明目的在于提供一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法，利用飞秒激光逐点辐照辅助化学湿法刻蚀工艺，在玻璃棒表面实现了高质量的微透镜阵列的制备。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样解决的：

一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选取直径为1~50mm的玻璃棒用于制备微透镜阵列；

步骤二、将玻璃棒6固定在夹具7上，将夹具7的另一端固定在旋转轴10上，旋转轴10的另一端固定在三维精密位移平台8上，计算机9与三维精密位移平台8和旋转轴10相连，控制两者的运动，激光器1发射出脉冲宽度为30~150fs、波长为325~1200nm，单脉冲能量为1~100μJ,重复频率为10Hz~100KHz的激光，经可控开关2、反射镜4后，通过数值孔径值为0.3~0.9的物镜5聚焦到玻璃棒6表面，CCD摄像机3监视整个加工过程；

步骤三、根据加工所需，控制旋转轴10的旋转与三维精密位移平台8的移动，同时通过可控开关2控制单点的辐照时间在10~1000ms，在玻璃棒6表面烧蚀出所需的弹坑阵列；

步骤四：将带有烧蚀弹坑的玻璃棒6置于质量浓度为2.5%~10%的氢氟酸稀释溶液中，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30~80摄氏度，时间为40~80分钟；

步骤五、将玻璃棒6从氢氟酸的稀释溶液中取出，在超声波水浴条件下，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗，清洗时间均为5~10分钟；即可得到表面具有微透镜阵列的玻璃棒。

所述的玻璃棒材料包括K9玻璃、石英玻璃或熔融石英，其圆柱面经过抛光。

所述的弹坑阵列为三角排列或正交排列的弹坑阵列。

本发明的优点在于：

(1)本发明利用飞秒激光辅助湿法刻蚀工艺在玻璃棒表面制备微透镜阵列，具有制备工艺简单，加工效率很高；加工的微透镜尺寸大小可调，且调节范围大，调节精度高。

(2)本发明能够通过控制激光烧蚀阵列来控制制备的透镜形貌，能够得到正六边形、正方形微透镜阵列。

(3)本发明很容易就实现紧排列的微透镜制备，且制备的微透镜底面为球形，且表面光滑。

附图说明

图1为本发明玻璃棒表面微透镜阵列的制备的飞秒激光加工装置图。

图2为实施例一制备得到的微透镜阵列的SEM图。

图3为实施例二制备得到的微透镜阵列的SEM图。

图4为实施例三制备得到的微透镜阵列的SEM图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

实施例一

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取直径为3mm的玻璃棒用于制备微透镜阵列，玻璃棒为表面经过抛光的K9玻璃；

步骤二、将玻璃棒6固定在夹具7上，将夹具7固定在旋转轴10上，旋转轴10的另一端固定在三维精密位移平台8上，计算机9与三维精密位移平台8和旋转轴10相连，控制两者的运动，激光器1发射出的激光，激光参数为脉冲宽度为30fs、波长为800nm，单脉冲能量为3μJ,重复频率为1KHz，经可控开关2、反射镜4，然后通过数值孔径值为0.7的物镜5聚焦到玻璃棒6表面，CCD摄像机3监视整个加工过程；

步骤三、根据加工所需，控制旋转轴10的旋转与三维精密位移平台8的移动，同时通过可控开关2控制单点的辐照时间在500ms，在玻璃棒6表面烧蚀出所需的三角排列的弹坑阵列；

步骤四：将带有烧蚀的弹坑的玻璃棒6置于质量浓度为5%的氢氟酸稀释溶液中，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30摄氏度，时间为50分钟；

步骤五、将玻璃棒6从氢氟酸的稀释溶液中取出，在超声波水浴条件下，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗，清洗时间均为10分钟；即可得到表面具有微透镜阵列的玻璃棒。

本实施例形成六边形的微透镜阵列，单个微透镜直径约为60微米，深度7.19微米。

参考图2所示，为在玻璃棒表面制备得到的微透镜阵列SEM图，单个透镜尺寸大小约为60微米。在玻璃棒表面均匀分布着大概2700个微透镜。

实施例二

步骤一、选取直径为2mm的玻璃棒用于制备微透镜阵列，玻璃棒为表面经过抛光的K9玻璃；

步骤二、将玻璃棒6固定在夹具7上，将夹具7固定在旋转轴10上，旋转轴10的另一端固定在三维精密位移平台8上，计算机9与三维精密位移平台8和旋转轴10相连，控制两者的运动，激光器1发射出的激光，激光参数为脉冲宽度为80fs、波长为400nm，单脉冲能量为1μJ,重复频率为1KHz，经可控开关2、反射镜4，然后通过数值孔径值为0.3的物镜5聚焦到玻璃棒6表面，CCD摄像机3监视整个加工过程；

步骤三、根据加工所需，控制旋转轴10的旋转与三维精密位移平台8的移动，同时通过可控开关2控制单点的辐照时间在1000ms，在玻璃棒6表面烧蚀出所需的正交排列的弹坑阵列；

步骤四：将带有烧蚀的弹坑的玻璃棒6置于质量浓度为2.5%的氢氟酸稀释溶液中，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30摄氏度，时间为60分钟；

步骤五、将玻璃棒6从氢氟酸的稀释溶液中取出，在超声波水浴条件下，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗，清洗时间均为5分钟；即可得到表面具有微透镜阵列的玻璃棒。

参考图3所示，为在玻璃棒表面制备得到的微透镜阵列SEM图，本实施例形成四边形的微透镜阵列，单个微透镜直径约为60微米，深度7.26微米。

实施例三

步骤一、选取直径为10mm的玻璃棒6用于制备微透镜阵列，玻璃棒为表面经过抛光的石英玻璃；

步骤二、将玻璃棒6固定在夹具7上，将夹具7固定在旋转轴10上，旋转轴10的另一端固定在三维精密位移平台8上，计算机9与三维精密位移平台8和旋转轴10相连，控制两者的运动，激光器1发射出的激光，激光参数为脉冲宽度为30fs、波长为800nm，单脉冲能量为5μJ,重复频率为10KHz，经可控开关2、反射镜4，然后通过数值孔径值为0.5的物镜5聚焦到玻璃棒6表面，CCD摄像机3监视整个加工过程；

步骤三、根据加工所需，控制旋转轴10的旋转与三维精密位移平台8的移动，同时通过可控开关2控制单点的辐照时间在50ms，在玻璃棒6表面烧蚀出所需的三角排列的弹坑阵列；

步骤四：将带有烧蚀的弹坑的玻璃棒6置于质量浓度为5%的氢氟酸稀释溶液中，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为60摄氏度，时间为40分钟；

步骤五、将玻璃棒6从氢氟酸的稀释溶液中取出，在超声波水浴条件下，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗，清洗时间为5分钟；即可得到表面具有微透镜阵列的玻璃棒。

参考图4所示，为在玻璃棒表面制备得到的微透镜阵列SEM图，本实施例形成六边形的微透镜阵列，单个微透镜直径约为30微米，深度6.5微米。

Claims

1.一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取直径为1~50mm的玻璃棒用于制备微透镜阵列；

步骤二、将玻璃棒（6）固定在夹具（7）上，将夹具（7）的另一端固定在旋转轴（10）上，旋转轴（10）的另一端固定在三维精密位移平台（8）上，计算机（9）与三维精密位移平台（8）和旋转轴（10）相连，控制两者的运动，激光器（1）发射出脉冲宽度为30~150fs、波长为325~1200nm，单脉冲能量为1~100μJ,重复频率为10Hz~100KHz的激光，经可控开关（2）、反射镜（4）后，通过数值孔径值为0.3~0.9的物镜（5）聚焦到玻璃棒（6）表面，CCD摄像机（3）监视整个加工过程；

步骤三、根据加工所需，控制旋转轴（10）的旋转与三维精密位移平台（8）的移动，同时通过可控开关（2）控制单点的辐照时间在10~1000ms，在玻璃棒（6）表面烧蚀出所需的弹坑阵列；

步骤四：将带有烧蚀弹坑的玻璃棒（6）置于质量浓度为2.5%~10%的氢氟酸稀释溶液中，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30~80摄氏度，时间为40~80分钟；

步骤五、将玻璃棒（6）从氢氟酸的稀释溶液中取出，在超声波水浴条件下，依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中清洗，清洗时间均为5~10分钟；即可得到表面具有微透镜阵列的玻璃棒。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述的玻璃棒材料包括K9玻璃、石英玻璃或熔融石英，其圆柱面经过抛光。

3.根据权利要求1所述的一种玻璃棒表面微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述的弹坑阵列为三角排列或正交排列的弹坑阵列。