CN102759800B

CN102759800B - 飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法

Info

Publication number: CN102759800B
Application number: CN201210207940.9A
Authority: CN
Inventors: 杨青; 陈烽; 卢静; 赵玉龙; 王先华; 刘贺炜
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102759800A

Abstract

飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，选用石英玻璃作为样品材料；通过飞秒激光在其表面加工得到微透镜阵列弹坑；将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，即可完成微透镜阵列光束整形器的制备；本发明利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列，具有所制得的微透镜阵列形貌可控的优点。其中，透镜的形貌可以通过激光脉冲作用点的合理排列进行控制，透镜的焦距则可以通过激光参数进行调控；该方法能够实现高填充比、大面积微透镜阵列的高效率加工；而且所制备出的微透镜阵列能够简单、便捷的实现使高斯光束的空间光强均匀分布。

Description

飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光维纳加工和激光光学领域，特别涉及一种利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，所制得的光束整形器能够将原始高斯分布的激光光束能量重新分布以达到尽可能均匀。

背景技术

在激光的实际应用领域中，例如激光对材料的加工，激光驱动惯性约束核聚变等，常要求光强空间分布均匀的激光光束，然而通常情况下从激光器中直接发出的都是能量呈高斯分布的高斯光束，因此需要通过激光光束整形器件，来将高斯光束的强度整形为均匀分布。目前光束整形的方法有很多，例如利用非球面透镜组整形系统、微透镜阵列整形系统、衍射光学元件整形系统和液晶空间光调制器等都可以实现高斯光束的整形。但比较而言，微透镜阵列加工简单，操作可行性强，实现相对容易。

以往的微透镜阵列加工方法，包括光刻胶熔融法、离子交换法、微喷打印法、激光直写技术等；其中光刻胶熔融法难以实现高填充比微透镜阵列的加工；离子交换法通常被用于二维平面微透镜阵列的制备，并且该工艺需要在高温环境中长时间反应；微喷打印法同光刻胶熔融法类似，它所制得的微透镜阵列填充因子也很难超过80％；激光直写技术可以制备任意形貌的微透镜阵列，但是其加工材料仅限于光刻胶，并且加工效率低，不适合大面积微透镜阵列的批量制备。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，该方法能够实现高填充比、大面积微透镜阵列的高效率加工；而且所制备出的微透镜阵列能够简单、便捷的实现使高斯光束的空间光强均匀分布。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是这样实现的：

飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，具体实施步骤如下：

步骤一、选用石英玻璃作为样品材料；

步骤二、选用脉冲宽度为30—150fs、波长为325—1200nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到固定在三维精密移动平台上的样品表面，显微物镜的数值孔径为0.3—0.8；步骤三、根据所需微透镜阵列形貌，调整脉冲作用点的排列方式，矩形微透镜阵列则脉冲作用点按照矩形排列，六边形微透镜阵列则脉冲作用点按照三角形排列，三角形微透镜阵列则脉冲作用点按照六边形排列，控制飞秒激光单脉冲能量为10nJ—5mJ，脉冲频率为10Hz—100KHz，调整三维精密移动平台移动速率为0.1um/s—6mm/s，从而控制飞秒加工时间的长短，得到微透镜阵列弹坑；

步骤四、将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，氟化氢溶液体积浓度为5%—15%，腐蚀时间为30—150分钟；即可完成微透镜阵列光束整形器的制备。

所述步骤四所得的微透镜阵列中单个透镜参数为：直径D为30—120um，球冠高度h为5—22um。

所述步骤三中脉冲作用点的排列方式包括三角形、矩形、六边形。

本发明的优点在于：

（1）本发明利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列，具有所制得的微透镜阵列形貌可控的优点。其中，透镜的形貌可以通过激光脉冲作用点的合理排列进行控制，透镜的焦距则可以通过激光参数进行调控。

（2）填充比高，利用该方法所制得的矩形、三角形、六边形微透镜阵列都可以实现100%的填充；这样透镜之间的间隙小，有助于更多光源经过透镜被利用来实现高效率光束整形。

（3）加工效率高，可以实现大面积微透镜阵列的制备；例如：加工直径为60um，阵列数为128×128的矩形透镜阵列，所需的总时间为3小时。

（4）制备所得的微透镜阵列不仅表面形貌良好，而且大阵列数的情况依然可以保持很好的均匀一致性。

（5）所制备的微透镜阵列，能够实现对光束整形的情况下，可控的改善光场强度分布的均匀性；例如，可以通过改变单个透镜的形貌和尺寸大小来控制照射到靶面上光斑的形状和均匀性。

（6）由于采用的是光学整形方法，能量损失小。

附图说明

图1为本发明中波长为800nm飞秒激光在石英玻璃表面制备微透镜阵列光束整形器的光路示意图。

图2为本发明中脉冲作用点排列方式示意图，其中图2a为矩形、图2b为三角形、图2c为六边形。

图3为本发明中所制备出的微透镜阵列光束整形器件的SEM图，其中图3a为矩形微透镜阵列光束整形器件的SEM图；图3b为六边形微透镜阵列光束整形器件的SEM图。

图4为本发明中所制备出的微透镜阵列光束整型器件单个透镜的剖面尺寸示意图。

图5为光束整形器件和会聚透镜构成的实现光束整形的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细叙述。

参照图1，实现本发明时，先要组装光路，由激光加载系统和样品夹持系统依次连接而成，激光加载系统由飞秒激光器1和可控光开关2、反射镜4和显微物镜5组成。飞秒激光器1发出的光束经过可控光开关2，反射镜4和显微物镜5聚焦在石英玻璃表面；其中可控光开关2控制激光的通断和照射时间，石英玻璃由样品夹持系统6夹持固定在三维精密移动平移台7和8上，通过计算机9控制三维移动平台7和8的精密位移来完成飞秒激光对微透镜阵列光束整形器的制备，整个加工过程的图像由CCD 3拍摄并监控。

实施例一

本实施例具体实施步骤如下：

步骤一、选用石英玻璃作为样品材料，所述的石英玻璃样品尺寸为15×15×2mm³；

步骤二、选用脉冲宽度为30fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到固定在三维精密移动平台上的石英玻璃样品表面，显微物镜的数值孔径为0.5；

步骤三、参照图2a，根据所需微透镜阵列形貌，调整脉冲作用点的排列方式，三维精密移动平台的移动速率为3000um/s，脉冲作用点的排列方式为矩形，黑色实心圆点表示脉冲作用点，相邻脉冲作用点间距大小如图2a中所示分别为L_x＝40um,L_y＝60um，控制飞秒激光单脉冲能量为1.1uJ，脉冲频率为1KHz，得到微透镜阵列弹坑；

步骤四、将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，氟化氢溶液体积浓度为5%，腐蚀时间为150分钟；即可完成微透镜阵列光束整形器的制备。

所述的步骤四所得的矩形微透镜阵列中单个透镜参数为：在x轴方向，透镜的直径测量值为40.58um，球冠高度为5.98um；在y轴方向，透镜的直径和高度分别为59.49um和12.61um。

实施例二、

本实施例具体实施步骤如下：

步骤一、选用石英玻璃作为样品材料，所述的石英玻璃样品尺寸为15×15×1mm³；

步骤二、选用脉冲宽度为50fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到固定在三维精密移动平台上的石英玻璃样品表面，显微物镜的数值孔径为0.5；

步骤三、参照图2b，根据所需微透镜阵列形貌，调整脉冲作用点的排列方式，三维精密移动平台的移动速率为4000um/s，脉冲作用点的排列方式为三角形，黑色实心圆点表示脉冲作用点，相邻脉冲作用点间距大小如图2b中所示为L_x＝60um，控制飞秒激光单脉冲能量为2uJ，脉冲频率为1KHz，得到微透镜阵列弹坑；

步骤四、将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，氟化氢溶液体积浓度为5%，腐蚀时间为90分钟；即可完成微透镜阵列光束整形器的制备。

所述的步骤四所得的六边形微透镜阵列中单个透镜参数为：透镜的直径测量值为80.74um，球冠高度为6.72um。

实施例三、

本实施例具体实施步骤如下：

步骤一、选用石英玻璃作为样品材料；所述的石英玻璃样品尺寸为15×15×1mm³；

步骤二、选用脉冲宽度为50fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到固定在三维精密移动平台上的石英玻璃样品表面，显微物镜的数值孔径为0.4；

步骤三、参照图2c，根据所需微透镜阵列形貌，调整脉冲作用点的排列方式，三维精密移动平台的移动速率为4000um/s，脉冲作用点的排列方式为六边形，黑色实心圆点表示脉冲作用点，相邻脉冲作用点间距大小如图2c中所示为L_x＝60um，控制飞秒激光单脉冲能量为3uJ，脉冲频率为1KHz，得到微透镜阵列弹坑；

步骤四、将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，氟化氢溶液体积浓度为5%，腐蚀时间为50分钟；即可完成微透镜阵列光束整形器的制备。

所述的步骤四所得的三角形微透镜阵列中单个透镜参数为：透镜的直径为116um，球冠高度为5.22um。

参照图3(a)、图3(b)所示，分别为实施例一矩形、实施例二六边形微透镜阵列的SEM图。脉冲作用点分别按照矩形排列（L_x＝40um,L_y＝60um）和三角形排列（L_x＝60um）；在完成飞秒激光烧蚀后，随着氟化氢溶液腐蚀的不断推进，圆形弹坑结构直径将逐步扩大，渐渐相互连接在一起，在相邻脉冲作用点中心形成一道清晰的分界线，最终形成矩形、六边形微透镜阵列，由于微结构之间相互连接，相邻透镜单元之间不存在空隙，使微透镜阵列的填充比可以高达100%，这样可以有效提高光源的利用率，避免造成光能损失。

微透镜阵列光束整形器的工作原理是在所制得的成千上万个微透镜阵列单元作用下，整个入射光束将被分为多个子光束，而每个子光束的光强分布均匀性必然大于入射光束的均匀性；同时对称位置的子光束会在目标靶面上相同的位置产生相互叠加，进一步改善这些子光束的细微不均匀性；当微透镜阵列光束整形器中所包含的透镜单元个数足够多时，就可以使整个入射光束在目标靶面上形成均匀、有效的光强分布。

参照图4所示，指出了单个透镜单元剖面结构示意图，其中透镜直径D、球冠高度h、曲率半径R，三者之间的关系为：

R = \frac{{(D / 2)}^{2} + h^{2}}{2 h}

参照图5所示，平行光入射到微透镜阵列光束整形器后，产生入射光束的分割与叠加，再经过会聚透镜对整形后的光束进行会聚，在会聚透镜的焦面处得到整形后的光束的远场光场分布，该光场的光斑尺寸L由整形后光束的远场发散角θ和会聚透镜的焦距f决定，光斑形貌由透镜阵列中单个小透镜的形貌决定。如果想要得到大小不同的光斑，可以通过改变相邻透镜之间的间距、脉冲能量、脉冲作用时间等来改变单个透镜的结构尺寸，达到改变远场发散角的目的，也可以通过改变会聚透镜的焦距。

Claims

1.飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

步骤一、选用石英玻璃作为样品材料；

步骤二、选用脉冲宽度为30—150fs、波长为325—1200nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到固定在三维精密移动平台上的样品表面，显微物镜的数值孔径为0.3—0.8；

步骤三、根据所需微透镜阵列形貌，调整脉冲作用点的排列方式，矩形微透镜阵列则脉冲作用点按照矩形排列，六边形微透镜阵列则脉冲作用点按照三角形排列，三角形微透镜阵列则脉冲作用点按照六边形排列，控制飞秒激光单脉冲能量为10nJ—5mJ，脉冲频率为10Hz—100KHz，调整三维精密移动平台移动速率为0.1um/s—6mm/s，从而控制飞秒加工时间的长短，得到微透镜阵列弹坑；

步骤四、将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，随着氟化氢溶液腐蚀的不断推进，弹坑直径将逐步扩大，渐渐相互连接在一起，在相邻脉冲作用点中心形成一道清晰的分界线，最终形成矩形、六边形微透镜阵列，由于微透镜阵列之间相互连接，相邻透镜单元之间不存在空隙，即可完成微透镜阵列光束整形器的制备，所述氟化氢溶液体积浓度为5％—15％，腐蚀时间为30—150分钟。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，其特征在于，所述的步骤四所得的微透镜阵列中单个透镜参数为：直径D为30—120um，球冠高度h为5—22um。