CN103058511A - 一种制备微光学元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备微光学元件的方法。该方法利用加热拉伸法制备微光学元件，将玻璃加工成边长为几个毫米的预制棒，然后将预制棒加热，根据玻璃的温度粘度关系，调整拉丝炉的加热温度，确保预制棒在软化拉细的过程中保持形状不变，将拉制的截面与微光学元件相同的玻璃纤维通过飞秒激光切割成所需长度的微光学元件。利用拉丝方法制备微光学元件，能够通过加热拉伸的方式实现质量均匀的微光学元件的规模化生产，可以获得不同尺寸和形状的微光学元件。制备得到的微光学元件无需后续的抛光处理。

Description

一种制备微光学元件的方法
技术领域
本发明属于微光学元件制备技术领域，特别涉及一种制备微光学元件的方法。
背景技术
微光学元件是许多工业领域中的关键组成部分，其增长率高于工业平均增长率。基于微电子工业的经验，人们研究了用光刻法加工小透镜的技术，也就是用光能刻蚀和熔融玻璃或光刻胶，虽然该技术可以加工生产直径小到几μm的可复制的结构，但有限的光学质量又限制了应用的数量。
微棱镜指的是最大边长在数百个微米以下的棱镜。目前随着光学和光子技术的发展，精密的微棱镜已广泛应用在光通信和便携式设备以及照相、显示等光学系统上。随着现在器件逐渐向小型化方向发展，微棱镜的市场需求量将与日剧增。传统的微棱镜生产工艺大多采用机械方法，比如模压和抛光等等。这些方法存在着成品率低、加工的样品表面难以处理、加工的样品尺寸难以控制，以及加工速度慢等问题。
微柱透镜指的是透镜半径及高度在数百个微米以下的柱透镜。随着目前集成光学的发展，这种微柱透镜在微光学系统中的聚光有着重要的应用。传统的微柱透镜生产工艺大多采用机械方法，比如模压和抛光等等。这些方法存在着成品率低、加工的样品表面难以处理、加工的样品尺寸难以控制，以及加工速度慢等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种制备微光学元件的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种制备微光学元件的方法，包括如下步骤：
（1）预制棒的加工：将玻璃按预制棒尺寸和形状进行切割，然后依次经过磨砂、抛光处理，用乙醇清洗干净，得到预制棒；
（2）预制棒的拉丝：将步骤（1）的预制棒放进拉丝炉中，升温使拉丝炉的温度达到400～900℃，控制拉丝的速度为10～100r/min、通过控制拉丝机上面下料器的下降速度使得预制棒的加入速度为1～20mm/min进行拉丝，拉制出不同尺寸的微光学元件（如附图1所示）；
（3）微光学元件的切割：将步骤（2）拉制出来的微光学元件切割成所需长度，得到微光学元件（如附图1所示）；
所述的微光学元件优选为微棱镜或微柱透镜；
步骤（1）中：
所述的玻璃优选为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、氟化物玻璃、硼硅酸盐玻璃或硫系玻璃；
所述的预制棒尺寸和形状优选根据所需微光学元件的尺寸按比例放大为预制棒的形状和尺寸；
所述的切割优选采用金刚砂切片进行切割；
所述的磨砂优选采用金刚砂磨轮进行磨砂；
所述的抛光处理优选采用普通抛光机、利用氧化铬研磨粉进行；
步骤（2）中所述的拉丝炉优选根据微光学元件的形状选择；
步骤（3）中：
所述的切割的方式优选为飞秒激光器照射或机械切割；
所述的飞秒激光器照射的飞秒激光的输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明利用加热拉伸法制备微光学元件，将玻璃加工成边长（或直径）为几个毫米的预制棒，然后将预制棒加热，根据玻璃的温度粘度关系，调整拉丝炉的加热温度，确保预制棒在软化拉细的过程中保持形状不变，将拉制的截面与微棱镜（或微柱透镜）相同的玻璃纤维通过飞秒激光切割成所需长度的微光学元件。利用拉丝方法制备微光学元件，能够通过加热拉伸的方式实现质量均匀的微光学元件的规模化生产，可以获得不同尺寸和形状的微光学元件。制备得到的微光学元件无需后续的抛光处理。
附图说明
图1是实施例1的微棱镜的拉制过程示意图，其中：1-下料器、2-预制棒、3-拉丝炉、4-飞秒激光器、5-微棱镜。
图2是实施例1拉制出的三角形微棱镜的端面图。
图3是实施例4中的平行四边形微棱镜的端面图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
（1）选取碲酸盐玻璃作为三角棱镜的预制棒原材料，采用机械加工法将K9玻璃制作成底边边长为2cm*2cm*2cm、高为8.5cm的三角形棱柱体，将该三角形棱柱体的各面经过机械抛光达到光学平整度；
（2）将步骤（1）的三角形棱柱体放在三角形的电阻丝拉丝炉中，将拉丝炉加热到400度，三角形棱柱体的下降速度为1mm/min，拉丝速度采用滚轴的转速来确定，滚轴的转动速度为10r/min，拉制出的三角形的边长为140μm*146μm*150μm（如附图2）；
（3）采用飞秒激光（飞秒激光的输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz。）将步骤（2）拉制出来的棱镜切割成所需的长度150μm。
实施例2
（1）选取磷酸盐玻璃作为三角棱镜的预制棒原材料，采用机械加工法将K9玻璃制作成底边边长为3cm*3cm*3cm、高为10cm的三角形棱柱体，将该三角形棱柱体的各面经过机械抛光达到光学平整度；
（2）将步骤（1）的三角形棱柱体放在三角形的电阻丝拉丝炉中，将拉丝炉加热到600度，三角形棱柱体的下降速度为10mm/min，拉丝速度采用滚轴的转速来确定，滚轴的转动速度为50r/min，拉制出的三角形的边长为168μm*120μm*120μm；
（3）采用飞秒激光（飞秒激光的输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz。）将步骤（2）拉制出来的棱镜切割成所需的长度160μm。
实施例3
（1）选取K9玻璃作为三角棱镜的预制棒原材料，采用机械加工法将K9玻璃制作成底边边长为2.1cm*1.76cm*1.8cm、高为8.5cm的三角形棱柱体，将该三角形棱柱体的各面经过机械抛光达到光学平整度；
（2）将步骤（1）的三角形棱柱体放在三角形的电阻丝拉丝炉中，将拉丝炉加热到900度，三角形棱柱体的下降速度为20mm/min，拉丝速度采用滚轴的转速来确定，滚轴的转动速度为100r/min，拉制出的三角形的边长为210μm*176μm*180μm；
（3）采用飞秒激光（飞秒激光的输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz。）将步骤（2）拉制出来的棱镜切割成所需的长度210μm长。
实施例4
（1）选取K9玻璃作为平行四边形棱镜的预制棒原材料，采用机械加工法将K9玻璃制作成底边边长为1.6cm*1.2cm、高为10cm的三角形棱柱体，将该三角形棱柱体的各面经过机械抛光达到光学平整度；
（2）将步骤（1）的三角形棱柱体放在三角形的电阻丝拉丝炉中，将拉丝炉加热到600度，平行四边形棱柱体的下降速度为8mm/min，拉丝速度采用滚轴的转速来确定，滚轴的转动速度为60r/min，拉制出的平行四边形的边长为250μm*180μm（如附图3）；
（3）采用飞秒激光（飞秒激光的输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz。）将步骤（2）拉制出来的棱镜切割成所需的长度250μm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种制备微光学元件的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）预制棒的加工：将玻璃按预制棒尺寸和形状进行切割，然后依次经过磨砂、抛光处理，用乙醇清洗干净，得到预制棒；
（2）预制棒的拉丝：将步骤（1）的预制棒放进拉丝炉中，升温使拉丝炉的温度达到400～900℃，控制拉丝的速度为10～100r/min、预制棒的加入速度为1～20mm/min进行拉丝，拉制出不同尺寸的微光学元件；
（3）微光学元件的切割：将步骤（2）拉制出来的微光学元件切割成所需长度，得到微光学元件。
2.根据权利要求1所述的一种制备微光学元件的方法，其特征在于：所述的微光学元件为微棱镜或微柱透镜。
3.根据权利要求1所述的一种制备微光学元件的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的玻璃为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、氟化物玻璃、硼硅酸盐玻璃或硫系玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种制备微光学元件的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的预制棒尺寸和形状根据所需微光学元件的尺寸按比例放大为预制棒的形状和尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种制备微光学元件的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的拉丝炉根据微光学元件的形状选择。
6.根据权利要求1所述的一种制备微光学元件的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的切割的方式为飞秒激光器照射或机械切割。
7.根据权利要求1所述的一种制备微光学元件的方法，其特征在于：所述的飞秒激光器照射的飞秒激光的输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz。
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