CN103852972A - 一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法 - Google Patents

Abstract

一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法，首先利用电润湿法获得初级微透镜结构初始凹模，然后利用翻模和压印技术获得初级微透镜结构，再利用激光诱导聚合物膨胀技术在初级微透镜结构上制备次级级隆起结构，最后利用翻模和压印技术获得所需的双焦点微透镜，进而实现双焦点微透镜阵列的简单快速制造，本发明结合激光光致膨胀特性制备凸起结构解决了在微结构上继续加工微结构的问题，采用微米压印技术可有效提高双焦点微透镜的加工效率和结构的均匀性。

Description

一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法

技术领域

本发明属于微纳制造双焦点微透镜阵列技术领域，具体涉及一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法。

技术背景

双焦点微透镜阵列是一种新兴的光学元件，具有体积小、重量轻，集成度高的特点，在光学、仿生学、生物医学等领域有着广泛应用。目前常用的双焦点微透镜的制造方法包括硅微工艺刻蚀、激光直写、反应离子刻蚀等技术，但这些加工方法只适合于小批量的微透镜制造，效率低，成本高，总的生产过程复杂以及产品均匀性不好保证等缺点使这些方法难以被工业领域所接受。

微米压印技术以其低成本、高效率、高分辨率的特点，在工业界和众多研究机构中被给予厚望。对于不含纳米结构的低深宽比双焦点微透镜阵列，无论在初始模具制备阶段还是在最终微透镜成形阶段，微纳压印技术均可以有效实现对该结构的一次压印成形。

聚合物材料在激光作用下的体积膨胀特性已应用于高分子材料表面的微纳结构制造、生物医学分析、精密光学器件制造等方面。在聚焦激光束的照射下，聚合物材料发生光致膨胀反应在激光照射区域产生曲面光滑曲率一致的隆起结构，通过控制激光脉冲能量、聚焦光斑大小以及作用时间可以诱导出不同的膨胀微结构。因此可结合微米压印技术和激光诱导聚合物光致膨胀技术来实现双焦点微透镜的“压印-激光诱导-压印”成形，这种方法有效地解决了双焦点透镜两级不同曲率曲面结构模具的制备问题，并且大大提高了微透镜阵列的生产效率，拥有前述方法难以媲美的优势。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法，能够实现在微米压印复形出微透镜初级结构后，通过激光诱导次级膨胀结构，进而实现两级不同焦距微透镜结构，有效提高双焦点微透镜的加工效率和结构的均匀性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法，包括下列步骤：

1）初级微透镜初始凹模制备，根据初级微透镜的结构要求，采用有机聚合物电润湿法制备微透镜初始凹模，电润湿法制备微透镜初始凹模过程中，ITO导电玻璃上覆盖厚度为50μm具有紫外固化性质的液态聚合物，将刻蚀好的硅模具盖在聚合物上，在ITO端和硅模具端加上200V电压，控制液态有机物对于硅模具壁的润湿角大小，使液面形成所需的初级微透镜曲面，经过紫外光固化后再分离硅模具即可获得初级微透镜初始凹模；

2）初级微透镜结构阵列压印，采用两次PDMS翻模的方法基于微透镜初始凹模制备出能用于压印的PDMS微透镜凹模阵列，在玻璃基材上制备能用于光致膨胀的聚合物薄膜，并且薄膜上匀上厚50μm的紫外固化胶，将PDMS凹模面与聚合物层贴合，并对其施加5e5Pa压力，在95℃温度下进行热压印，经过冷却后脱模得到由光致膨胀性聚合物成形的初级微透镜阵列；

3）次级微透镜结构制备，利用同轴加工技术，将激光束聚焦在聚合物面初级微透镜中心位置处，改变入射激光束大小以及聚焦透镜组合以得到20μm到80μm不等的聚焦加工光斑，控制激光脉冲能量以及作用时间，在激光照射的位置引发聚合物光致膨胀反应获得所需的次级隆起结构，周期性移动加工台并循环上述操作制备出拥有两级曲面的双焦点微透镜阵列；

4）双焦点微透镜阵列的制备，利用加工好的具有两级曲面的聚合物双焦点微透镜结构阵列，通过翻模获得双焦点微透镜硬质凹模，再利用压印或有机物填充技术获得所需的双焦点微透镜。

本发明首先利用电润湿法获得初级微透镜结构初始凹模，然后利用翻模和压印技术获得初级微透镜结构，再利用激光诱导聚合物膨胀技术在初级微透镜结构上制备次级级隆起结构，最后利用翻模和压印技术获得所需的双焦点微透镜，进而实现双焦点微透镜阵列的简单快速制造，有效提高双焦点微透镜的加工效率和结构的均匀性。

附图说明

图1是本发明采用电润湿法制备初级微透镜初始凹模过程中实验材料的准备示意图。

图2是本发明中硅模具与紫外固化性液态有机物贴合示意图。

图3是本发明中加电压改变液态有机物润湿角及紫外固化示意图。

图4是本发明中脱模后的初始凹模示意图。

图5是本发明中向初始凹模填充PDMS示意图。

图6是本发明中脱模后获得初次PDMS凸模示意图。

图7是本发明中向经过表面处理的初次PDMS凸模再次填充PDMS示意图。

图8是本发明中脱模后的PDMS凹模示意图。

图9是本发明中初级微透镜结构压印实验材料的准备示意图。

图10是本发明中初级微透镜结构压印过程示意图。

图11是本发明中脱模后的初级微透镜结构示意图。

图12是本发明中激光束聚焦于聚合物表面示意图。

图13是本发明中激光束聚焦与聚合物表面产生隆起结构示意图。

图14是本发明中获得的双焦点微透镜结构阵列示意图。

图15是本发明中向双焦点微透镜结构阵列填充硬质翻模用有机物示意图。

图16是本发明中脱模后获得硬质有机物凹模示意图。

图17是本发明中双焦点微透镜压印前准备示意图。

图18是本发明中双焦点微透镜压印过程示意图。

图19是本发明中脱模过程示意图。

图20是本发明中所获得的的双焦点微透镜阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法，包括下列步骤：

1）初级微透镜初始凹模制备，参照图1、图2、图3和图4，采用电润湿法制备满足初级微透镜曲率要求的曲面，硅模具1为刻蚀好的三角排布的孔结构阵列，孔径为微米级，基材为ITO导电玻璃4，ITO导电玻璃4上为ITO层3，ITO层3上覆盖一层紫外光固化液态有机聚合物2，通过PI膜控制好硅模具与基材贴合距离后，在硅模具端和ITO端施加200V电压，聚合物与硅模具壁的润湿角会发生改变，在微米尺度下形成满足微透镜曲率要求的液面，在经过紫外光固化，脱模后获得初级微透镜初始凹模；

2）初级微透镜结构阵列压印，参照图5、图6和图7，先利用PDMS材料5对初级微透镜初始凹模进行翻模获得凸模，再对该PDMS凸模进行翻模，获得如图8所示的PDMS凹模；参照图9和图10，在玻璃基材4上涂上厚度为50μm并掺杂有甲基红的PMMA薄膜7，其上匀上一层3μm厚的紫外光固化胶6，再将前面获得的PDMS凹模与紫外光固化胶6贴合，施加5e5Pa压力，在95℃下进行热压印，待冷却脱模后获得如图11所示的初级微透镜结构阵列；

3）次级微透镜结构制备，参照图12和13，利用同轴加工技术引入波长532nm激光，通过透镜组将激光聚焦在初级微透镜结构中心处，控制好激光能量及入射光斑大小以获得满足要求的聚焦能量和聚焦光斑大小，被激光照射的区域中PMMA层发生光化学反应产生突起结构，控制好时间以获得所需的次级透镜曲面；周期性移动加工台，在其余微透镜结构中心处进行激光加工，可获得如图14所示的双焦点微透镜结构阵列；

4）双焦点微透镜阵列的制备，参照图15，对加工好的双焦点微透镜结构阵列进行表面处理降低其表面能后，向该结构填充硬质热固化聚合物8，固化并脱模后获得如图16所示的双焦点微透镜阵列凹模；参照图17、图18、图19，对该凹模进行表面处理后对玻璃基材上的透镜材料进行热压印，冷却脱模后获得如图20所示的双焦点微透镜阵列9。

Claims (1)

1.一种双焦点微透镜阵列的微米压印与激光诱导成形方法，其特征在于，包括下列步骤：

1）初级微透镜初始凹模制备，根据初级微透镜的结构要求，采用有机聚合物电润湿法制备微透镜初始凹模，电润湿法制备微透镜初始凹模过程中，ITO导电玻璃上覆盖厚度为50μm具有紫外固化性质的液态聚合物，将刻蚀好的硅模具盖在聚合物上，在ITO端和硅模具端加上200V电压，控制液态有机物对于硅模具壁的润湿角大小，使液面形成所需的初级微透镜曲面，经过紫外光固化后再分离硅模具即可获得初级微透镜初始凹模；

2）初级微透镜结构阵列压印，采用两次PDMS翻模的方法基于微透镜初始凹模制备出能用于压印的PDMS微透镜凹模阵列，在玻璃基材上制备能用于光致膨胀的聚合物薄膜，并且薄膜上匀上厚50μm的紫外固化胶，将PDMS凹模面与聚合物层贴合，并对其施加5e5Pa压力，在95℃温度下进行热压印，经过冷却后脱模得到由光致膨胀性聚合物成形的初级微透镜阵列；

3）次级微透镜结构制备，利用同轴加工技术，将激光束聚焦在聚合物面初级微透镜中心位置处，改变入射激光束大小以及聚焦透镜组合以得到20μm到80μm不等的聚焦加工光斑，控制激光脉冲能量以及作用时间，在激光照射的位置引发聚合物光致膨胀反应获得所需的次级隆起结构，周期性移动加工台并循环上述操作制备出拥有两级曲面的双焦点微透镜阵列；

4）双焦点微透镜阵列的制备，利用加工好的具有两级曲面的聚合物双焦点微透镜结构阵列，通过翻模获得双焦点微透镜硬质凹模，再利用压印或有机物填充技术获得所需的双焦点微透镜。

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