CN102785025B - 利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法 - Google Patents

Abstract

利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，根据所需要加工的微透镜阵列形状，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光在靶材表面作用100至1000个脉冲数，脉冲频率为1KHz，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上以飞秒激光作用焦点为中心产生一个光破坏区；利用体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30~80摄氏度，加热时间为40~80分钟；将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模微透镜阵列的模板成品，本发明结合传统化学刻蚀工艺，最终实现大规模微透镜阵列低成本、高效率的批量生产。

Description

利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法

技术领域

本发明属于飞秒激光微纳加工光学器件领域，特别涉及一种利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，在硬质材料表面进行大规模形貌可控的微透镜阵列的制备。

背景技术

微透镜阵列在集成光电子、光通信、光传感、微机电系统、新型显示与照明技术、生物医学等领域有着极其重要的应用价值。然而，由于受到当前未加工工艺水平的限制，制备大规模形貌可控的三维微透镜阵列是一个亟待解决的技术难题。传统的微加工工艺如光刻、软熔法、金刚石车削及激光直写加工等工艺，仍存在制作效率低、成本高、形貌不可控等问题。近年来，飞秒激光微加工技术逐渐成为三维微纳加工领域的热门研究方向，利用飞秒激光直写加工能够实现任意三维微结构的高精度加工，而将飞秒激光加工技术与传统化学刻蚀方法相结合，更能够克服飞秒激光直写工艺加工效率低下这一重要技术障碍。

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大规模微透镜阵列的方法，利用飞秒激光独特的加工特性，结合传统化学刻蚀工艺，以实现大规模微透镜阵列低成本、高效率的批量生产。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，包括以下步骤：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30到150fs、波长为325到1200nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.3至0.9的物镜聚焦在硬质材料表面；

步骤二、根据所需要加工的微透镜阵列形状，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光在靶材表面作用100至1000个脉冲数，脉冲频率为1KHz，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上以飞秒激光作用焦点为中心产生一个光破坏区；

步骤三、利用体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为60-90分钟，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30-80摄氏度，加热时间为40-80分钟；

步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模微透镜阵列的模板成品。

所述的作为靶材的硬质材料为6面抛光的石英玻璃或K9玻璃。

所述的氢氟酸溶液指体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液，浓度不同会导致腐蚀速率与表面光滑度不同。由于氢氟酸对光破坏区的腐蚀速度远高于对其他区域的腐蚀速度，所以以光破坏区为中心会逐渐腐蚀出一个光滑的凹面结构，也即一个独立的凹面微透镜个体。

所说的微透镜阵列为矩形或正六边形的凹形微透镜阵列。

本发明首先利用飞秒激光直接作用的方式在靶材表面加工一个光破坏区，之后利用化学刻蚀的方法以光破坏区为中心腐蚀出一个光滑的凹面结构，每一个凹面结构即为一个独立凹面微透镜个体。并且可以利用飞秒激光功率、化学腐蚀时间和光破坏区间距来控制微透镜个体的尺寸和形貌。

本发明的优点在于：

1）本发明克服了微透镜阵列的传统加工方法中成本高、效率低、形貌不可控等缺陷。

2）利用本发明提出的方法制备微透镜阵列可得到表面光滑度极高的大规模凹面微透镜阵列，其表面光滑程度与成像效果明显优于机械加工等传统方法制备的微透镜阵列。

3）本发明的加工工艺非常高效，能够在15小时之内制备出多达9万个独立微透镜，个体尺寸为30-50微米的阵列，透镜数为256×256的大规模微透镜阵列。

4）本发明所制备的微透镜阵列其尺寸和形貌均人为可控，用不同的控制程序可以制备个体尺寸为10至200微米的任意矩形排列或六角形排列的大规模微透镜阵列。

本发明所讲述的是一种将前沿飞秒激光加工工艺与传统化学刻蚀方法有效结合所得到的高效制备大规模微透镜阵列的方法。相比于普通工艺，本方法不论在效率、成本及尺寸与形貌控制等方面皆表现出明显的优势。这一方法可以突破了传统加工工艺制作大规模微透镜阵列的技术限制，让批量化制备大规模微透镜阵列成为可能。

附图说明

图1为飞秒激光微纳加工装置示意图。

图2为实施例一制备得到的矩形微透镜阵列光束整形器件的显微镜图，透镜个体为256×256阵列；

图3实施例二制备得到的六边形微透镜阵列光束整形器件的SEM图，透镜个体为256×256阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细叙述。

参照图1，实现本发明时，先要组装飞秒激光微纳加工装置，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聚焦在靶材表面；其中可控光开关2控制激光的通断和照射时间，靶材6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、8的精密位移来完成飞秒激光纳米加工，整个加工过程的图像由CCD 3拍摄并监控。

实施例一

利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，包括以下步骤：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5物镜聚焦在硬质材料表面；

步骤二、根据所需要加工的矩形微透镜阵列形状，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光在靶材表面作用500个脉冲数，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上以飞秒激光作用焦点为中心产生一个光破坏区；

具体为：三维精密平移台8负责靶材的精密移动，其移动程序通过计算机9来控制。激光在每一破坏区进行500个脉冲的冲击破坏之后，程序将自动控制平移台8移动75微米的距离，在移动过程中可控快门2关闭，移动到位之后可控快门重新打开开始激光作用。直至将整个大规模破坏区的矩形阵列制备完成，程序停止。

步骤三、利用体积浓度为5％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为90分钟；并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为80摄氏度，加热时间为40分钟；

步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模微透镜阵列的模板成品。

图2为实施例一制备得到的矩形大规模微透镜阵列样品显微镜图，透镜个体为256×256阵列，每个微透镜直径为75μm。

实施例二

利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，包括以下步骤：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5物镜聚焦在硬质材料表面；

步骤二、根据所需要加工的矩形微透镜阵列形状，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光在靶材表面作用500个脉冲数，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上以飞秒激光作用焦点为中心产生一个光破坏区；

具体为：三维精密平移台8负责靶材的精密移动，其移动程序通过计算机9来控制。激光在每一破坏区进行500个脉冲的冲击破坏之后，程序将自动控制平移台8移动80微米的距离，在移动过程中可控快门2关闭，移动到位之后可控快门重新打开开始激光作用。直至将整个大规模破坏区的正六边形阵列制备完成，程序停止。

步骤三、利用体积浓度为5％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为90分钟；并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为50摄氏度，加热时间为40分钟；

步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模微透镜阵列的模板成品。

图3为实施例二制备得到的六边形大规模微透镜阵列样品SEM图，透镜个体为256×256阵列，每个微透镜直径为80μm。

实施例三

利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，包括以下步骤：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5物镜聚焦在硬质材料表面；

步骤二、根据所需要加工的矩形微透镜阵列形状，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光在靶材表面作用1000个脉冲数，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上以飞秒激光作用焦点为中心产生一个光破坏区；

具体为：三维精密平移台8负责靶材的精密移动，其移动程序通过计算机9来控制。激光在每一破坏区进行1000个脉冲的冲击破坏之后，程序将自动控制平移台8移动30μm的距离，在移动过程中可控快门2关闭，移动到位之后可控快门重新打开开始激光作用。直至将整个大规模破坏区的矩形阵列制备完成，程序停止。

步骤三、利用浓度为2.5％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为60分钟；并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为40摄氏度，加热时间为30分钟。

步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模微透镜阵列的模板成品，其中透镜个体为256×256阵列，每个微透镜的直径为30μm。

Claims (3)

1.利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.5的物镜聚焦在硬质材料表面；

步骤二、根据所需要加工的微透镜阵列形状，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光在靶材表面作用100至1000个脉冲数，脉冲频率为1KHz，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上以飞秒激光作用焦点为中心产生一个光破坏区；

步骤三、利用体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为60-90分钟，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30～80摄氏度，加热时间为40～80分钟；

步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模微透镜阵列的模板成品。

2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，其特征在于，所述的作为靶材的硬质材料为6面抛光的石英玻璃或K9玻璃。

3.根据权利要求1所述的利用飞秒激光增强化学刻蚀制备大规模微透镜阵列的方法，其特征在于，所说的微透镜阵列为矩形或正六边形的凹形微透镜阵列。