CN103273196A - 有机玻璃的co2激光选区辐照扫描加工微透镜阵列的方法 - Google Patents

有机玻璃的co2激光选区辐照扫描加工微透镜阵列的方法 Download PDF

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Abstract

有机玻璃微透镜阵列的激光选区辐照扫描加工方法，属于激光领域。将金属模板及玻璃基片清洗并干燥后，金属模板置于升降台上，玻璃基片置于模板正下方，而模板与玻片的间距在1-20mm之间。利用CO2激光在模板上离焦辐照扫描加工，扫描轨迹为等间距的平行直线段阵列，扫描轨迹整体大小与待加工的面积对应；辐照扫描加工后，冷却，完成加工。本发明适用于在有机玻璃基片上加工微透镜阵列，透镜孔径及排布由金属模板的通孔尺寸及孔的分布决定，而透镜深度可通过辐照的功率密度及辐照扫描速度来控制，该加工属于非接触式加工，且加工灵活性强。

Description

有机玻璃的CO2激光选区辐照扫描加工微透镜阵列的方法
技术领域
本发明涉及一种利用CO2激光在有机玻璃表面制造微透镜的方法，属于微结构技术领域。
背景技术
聚甲基丙烯酸甲酯（即PMMA）作为重要的光学材料具有良好的物理、光学性能，在工业生产及日常生活中都有广泛的应用，所以被称为“有机玻璃”。如何使用低成本、高效率的加工方法制造微透镜阵列成为微光学元件生产的重要发展方向。
发明内容
针对以上内容，有必要提出一钟效率高、成本低的微透镜加工方法。
有机玻璃微透镜的CO2激光选区辐照扫描加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选择带有孔阵列的金属模板，清洁后置于CO2激光下方的升降台上，而升降台置于加工平台上，金属模板与加工平台的距离可以通过升降台调整；
（2）将有机玻璃基片置于加工平台上位于金属模板的正下方，通过升降台调整金属模板与有机玻璃基片之间有间距；
（3）连接计算机、激光驱动器和CO2激光器，通过计算机和激光驱动器控制CO2激光器，能够使得发射的激光通过聚焦物镜聚焦后经由金属模板的孔直接作用于有机玻璃基片上；
（4）打开激光器，进行扫描加工；
（5）扫描加工完毕，冷却后即完成机玻璃微透镜的加工。
上述激光扫描的轨迹为根据金属模的德孔阵列进行等间距的直线段阵列，整体的扫描面积与待加工微透镜阵列的面积相对应，扫描速度为5-30mm/S。
本发明可以在玻璃表面加工出微透镜。本发明中，激光选区辐照所使用的装置包括计算机、激光器、计算机与激光器连接的数据线、激光运动控制系统、工作台、金属模板。
本发明的工作原理是：本发明通过金属模板辅助辐照加工，金属模板通孔处可透过激光直接对有机玻璃起辐照作用，有机玻璃在该处受到很大的光热作用而瞬间热熔且发生膨胀，由于表面张力的作用在该处形成上凸的凸透镜。
本发明中必须合理调控好实验参数，例如合适的功率与扫描速度，激光出光口与金属模板间距，金属模板与玻片的间距。若是参数选取不当，则无法获得预想结果，可能会在玻片上留下凹坑，或由于作用太弱而无明显变化。
本发明中之所以将模板与玻片间隔一定距离，优点一是使材料与模板隔开，属于清洁的非接触式加工，可避免加工过程对模板的污染，优点二是，金属模板的圆孔阵列中不可避免的会有相邻圆孔的圆心间距大于圆孔的直径，若是紧贴着玻片，则得到的加工结果，微透镜的填充因子较低，即有效通光面积所占比例较低，而使模板与玻片间隔一定距离，发散的离焦激光束通过模板后投影至玻片，可以得到大于圆孔直径的微透镜，然而相邻微透镜的圆心间距却不变，即可通过调整合适的间距，减小相邻微透镜的边缘相对距离，提高填充因子。（如图2）。
本发明中可实现有机玻璃基板中微透镜的加工且不损坏周围的有机玻璃材料。
所述的离焦辐照是指将CO2激光的焦点置于金属模板之上20-50㎜，对模板及有机玻璃进行辐照，辐照位置在模板的工作区内，也就是有圆孔阵列的区域。升降台调整至合适高度，优选是金属模板与有机玻璃基片的间距调为1-20mm。金属模板的孔的直径优选为0.1-1mm。
本发明的特点：
1.利用激光进行有机玻璃加工，属于非接触式加工。
2.精度高，速度快，单个微透镜成型的平均加工时间约小于0.1秒！
3.可以通过改变模板的通孔尺寸大小及排布得到相应孔径及排布的微透镜或微透镜阵列，也可以通过改变模板与激光的间距（即改变离焦距离），模板与玻片的间距。以及辐照扫描速度从而控制微透镜的口径及排布；透镜深度可通过辐照的功率密度及辐照扫描速度来控制，该加工属于非接触式加工操作简单且灵活性强，且加工灵活性强。
附图说明
图1本发明所使用的玻璃选区辐照系统的结构示意图
图中：1.计算机控制系统；2.激光驱动；3.CO2激光器；4.反射镜；5.聚焦物镜；6.模板；7和8.小升降台；9.工作台；10.有机玻璃基片。
图2本发明中加工扫描过程中，
图中：5.聚焦物镜；12与13.金属模板上相邻的两圆孔；14与15.有机玻璃基片上对应的相邻的两个微透镜；
图3本发明中加工制作的微透镜阵列的其中一个微透镜的显微镜照片。
具体实施方式
本发明可以在有机玻璃上进行选区辐照加工微透镜或微透镜阵列。选区辐照所使用的装置包括计算机、激光器、计算机与激光器连接的数据线、激光运动控制系统、工作台、铜镍合金或铝片模板按图1进行连接。
其步骤包括：
（1）根据加工要求，使用合适的带有圆孔阵列的金属模板；
（2）将小升降台置于加工平台上
（3）将清洗并干燥后的金属模板置于小升降台并调整至合适高度
（4）将有机玻璃基片置于模板正下方
（5）设置合适的离焦量及激光功率，设置适当的扫描加工轨迹及扫描速度
（6）开启激光器，对金属模板进行辐照，有机玻璃在通孔处激光投影光斑受到较大的光热作用，瞬间热熔并形成上凸的微透镜
（7）关闭激光，冷却，加工完成。
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明选用厚度为2mm的有机玻璃作为材料；选用铝片作为模板材料，选用CO2激光对模板选区进行离焦辐照
本实例按照以下方法进行，将金属模板、有机玻璃基片进行清洗及干燥，置于加工平台及小升降台的合适位置上；设置CO2激光的离焦量为30㎜，功率为3W，辐照扫描速度为12mm/s，在模板上进行辐照，模板的通孔为0.5㎜的圆孔。完成加工，微透镜实物图如图3所示。

Claims (5)

1.有机玻璃微透镜的CO2激光选区辐照扫描加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选择带有孔阵列的金属模板，清洁后置于CO2激光下方的升降台上，而升降台置于加工平台上，金属模板与加工平台的距离可以通过升降台调整；
（2）将有机玻璃基片置于加工平台上位于金属模板的正下方，通过升降台调整金属模板与有机玻璃基片之间有间距；
（3）连接计算机、激光驱动器和CO2激光器，通过计算机和激光驱动器控制CO2激光器，能够使得发射的激光通过聚焦物镜聚焦后经由金属模板的孔直接作用于有机玻璃基片上；
（4）打开激光器，进行扫描加工；
（5）扫描加工完毕，冷却后即完成机玻璃微透镜的加工。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述激光扫描的轨迹为根据金属模的德孔阵列进行等间距的直线段阵列，整体的扫描面积与待加工微透镜阵列的面积相对应，扫描速度为5-30mm/S。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，CO2激光的焦点置于金属模板之上20-50㎜。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，金属模板与有机玻璃基片的间距调为1-20mm。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，金属模板的孔的直径优选为0.1-1mm。
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