CN106125166B - 原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，利用二氧化碳激光辐照熔石英样品形成材料微结构调控区阵列，然后采用氢氟酸溶液刻蚀熔石英样品，得到熔石英微透镜阵列。采用以上方案，极大简化了熔石英微透镜阵列的制作流程，避免了一系列复杂的微透镜成形辅助流程，简洁高效的同时实现了微透镜形貌的精确控制，不仅实现了圆形孔径的微透镜阵列的制造，而且实现了精确高效地制造高填充系数的异形孔径微透镜，制造的熔石英微透镜阵列表面光洁，激光损伤阈值高，尤其适用于强光环境下的应用。
Description
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法。
背景技术
微透镜阵列是微小光学领域的重要元件，可以实现光的会聚、分割、复合、整形、耦合、互连和成像等功能，广泛应用于光束均匀化、Shack-Hartmann波前传感器、线性光学扫描系统、激光组束、激光准直、焦平面集光、大面阵显示和成像光刻等。微透镜阵列的发展在很大的程度上取决于光学微加工技术。半导体加工工艺在微小光学领域的应用极大促进了微透镜阵列的发展，目前制作微透镜阵列的方法有光刻胶热熔法、灰度掩膜法、光敏玻璃热成形法、离子交换法、离子束刻蚀图形转移法、压印成形法、激光直写法和微滴喷射法等方法。然而，目前这些微透镜阵列制备方法普遍存在加工工艺繁琐、制备流程复杂、设备贵重以及形貌精细控制困难导致的工艺重复性差等问题，并且制备的微透镜阵列在光学系统中应用时会出现杂光，严重影响了微透镜阵列的光传输质量。
通常微透镜阵列子单元透镜的横截面为圆形，排列方式为正方形堆积或六角紧密堆积，理论计算表明，圆形孔径透镜阵列正方形堆积排列填充系数最大是78.5％，六角紧密堆积排列填充系数最大是90.7％，实际制作中填充系数会更小。在光传输过程中，通过子单元透镜之间空隙泄漏的光，不仅造成能量和光信息的损失，还会引起背景噪声，对于光的高效率传输非常不利。在光信息领域的一些应用中，要求微透镜阵列具备很高的填充系数，通常要求98％以上，但是对圆形或球形孔径的微透镜阵列，不管是正方形堆积还是六角紧密堆积排列，填充系数都达不到应用要求。为了解决微透镜阵列高填充系数这一难题，人们提出研制异形孔径(包括正方形和六角形孔径)的微透镜阵列，子单元透镜间几乎没有空隙，为此人们进行了大量的研究工作。然而，当前的研究工作基本上都是把圆形孔径微透镜阵列制备技术直接扩展并应用于制作高填充系数的异形孔径微透镜阵列，因此，异形孔径微透镜阵列面存在着与圆形孔径微透镜阵列同样的不足：形貌精确控制困难、单元透镜均匀性控制困难、工艺重复性较差，并且异形孔径微透镜阵列制备的技术难度远高于圆形孔径微透镜阵列。
对于目前微透镜阵列加工技术遇到的瓶颈，必须进行原理性的创新，探索出一套微透镜加工的新机制，为解决目前技术不能兼顾形貌微精确控制、高效率、高质量的问题，研究出一种微透镜阵列制备的新方法成为当务之急。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，具有简洁高效、工艺稳定性好、可控性强和重复性高的优势。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，按照以下步骤进行：
S1：设置二氧化碳激光器的参数；
S2：使用声光调制器从二氧化碳激光器获得频率和脉宽均稳定的二氧化碳激光；
S3：对二氧化碳激光扩束后，使用扫描场镜对二氧化碳激光进行聚焦；
S4：设置振镜逐行扫描的扫描路径，并设置扫描速度、扫描行间距；
S5：将熔石英样品置于二氧化碳激光的焦点处，利用振镜驱动聚焦后的二氧化碳激光辐照熔石英样品的表面，以改变熔石英样品受二氧化碳激光辐照位置的熔石英材料微结构，使熔石英样品上形成多个微结构调控区，所有的微结构调控区共同构成材料微结构调控区阵列；
S6：采用氢氟酸溶液刻蚀熔石英样品，得到熔石英微透镜阵列。
采用以上方案，极大简化了熔石英微透镜阵列的制作流程，避免了一系列复杂的微透镜成形辅助流程，简洁高效的同时实现了微透镜形貌的精确控制，不仅实现了圆形孔径的微透镜阵列的制造，而且实现了精确高效地制造高填充系数的异形孔径微透镜，制造的熔石英微透镜阵列表面光洁，激光损伤阈值高，尤其适用于强光环境下的应用。
作为优选：步骤S4中，所述扫描路径为正方形堆积排列或六角形堆积排列。采用以上方案，以制造正方形或者六角形孔径的圆形孔径微透镜阵列或者异形孔径微透镜阵列。
作为优选：步骤S4中，设置扫描相邻行之间的出光延迟时间。采用以上方案，避免激光热作用对相邻微结构调控区之间的干扰，即避免激光热作用对相邻辐照点之间的干扰。
作为优选：步骤S5中，所述熔石英材料微结构为熔石英材料处于假想温度状态下的结构状态。采用以上方案，利用不同假想温度的熔石英材料的受氢氟酸作用的刻蚀速度的巨大差异，通过氢氟酸刻蚀熔石英材料受二氧化碳激光辐照形成的微结构调控区阵列，呈现出微结构调控区阵列轮廓，形成凹面微透镜阵列。
作为优选：步骤S6中，采用兆声波配合氢氟酸溶液刻蚀熔石英样品。采用以上方案，兆声波将熔石英样品表面的沉积物冲开，以保证均匀刻蚀，并避免刻蚀沉积物沉积，影响刻蚀效果。
作为优选：步骤S5中，需对熔石英样品进行预抛光。采用以上方案，预抛光处理使熔石英样品达到光学级的抛光度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，方法新颖，极大简化了熔石英微透镜阵列的制作流程，避免了一系列复杂的微透镜成形辅助流程，简洁高效的同时实现了微透镜形貌的精确控制，不仅实现了圆形孔径的微透镜阵列的制造，而且实现了精确高效地制造高填充系数的异形孔径微透镜，制造的熔石英微透镜阵列表面光洁，激光损伤阈值高，尤其适用于强光环境下的应用。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1，设置射频激励二氧化碳激光器频率为1000Hz，占空比30％，然后利用声光调制器截取激光器输出二氧化碳激光脉冲的峰值平稳段，获得频率为1000Hz、脉宽6.0μs的稳定的二氧化碳激光，然后对二氧化碳激光扩束，并使用焦距100mm的扫描场镜对二氧化碳激光进行聚焦，然后设置振镜逐行扫描的扫描路径为正方形堆积排列，并设置各个材料微结构调控区之间的不交叠参数，即扫描速度是80mm/s，扫描行间距是0.080mm，扫描相邻行之间出光延迟时间为0s，设置完成后首先将熔石英样品置进行预抛光，使熔石英达到光学级抛光度，然后将清洗后的熔石英样品置于焦点处，利用振镜驱动聚焦后的二氧化碳激光辐照熔石英样品的表面，以改变熔石英样品受二氧化碳激光辐照位置的熔石英材料微结构，使熔石英样品上形成多个微结构调控区，所有的微结构调控区共同构成材料微结构调控区阵列，最后采用兆声波配合氢氟酸溶液刻蚀熔石英样品，由于不同假想温度的熔石英材料的受氢氟酸作用的刻蚀速度的巨大差异，熔石英材料受二氧化碳激光辐照形成的微结构调控区阵列呈现出微结构调控区阵列轮廓，得到正方形堆积排列的圆形孔径微透镜阵列。
实施例2，本实施例与实施例1的区别在于：设置振镜逐行扫描的扫描路径为六角形堆积排列，扫描行间距是0.069mm，扫描相邻行之间出光延迟时间为0.500ms，制造得到六角形堆积排列的圆形孔径微透镜阵列。
实施例3，本实施例与实施例1的区别在于：设置振镜逐行扫描的扫描路径为正方形堆积排列，声光调制器截取二氧化碳激光的脉宽为5.0μs；振镜扫描速度是40mm/s，扫描行间距是0.040mm，制造得到的微透镜阵列是异形孔径微透镜阵列，子单元透镜孔径为正方形，各个子单元透镜之间无间隔，制备的正方形孔径的异形孔径微透镜阵列填充系数为100％。
实施例4，本实施例与实施例1的区别在于：设置振镜逐行扫描的扫描路径为正六边形堆积排列，声光调制器截取二氧化碳激光的脉宽为4.5μs；振镜扫描速度是40mm/s，扫描行间距是0.035mm，扫描相邻行之间出光延迟时间为0.500ms；制造得到的微透镜阵列是异形孔径微透镜阵列，子单元透镜孔径为正六边形，各个子单元透镜之间无间隔，正六边形孔径的微透镜阵列填充系数为100％。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
S1：设置二氧化碳激光器的参数；
S2：使用声光调制器从二氧化碳激光器获得频率和脉宽均稳定的二氧化碳激光；
S3：对二氧化碳激光扩束后，使用扫描场镜对二氧化碳激光进行聚焦；
S4：设置振镜逐行扫描的扫描路径，并设置扫描速度以及扫描行间距；
S5：将熔石英样品置于二氧化碳激光的焦点处，利用振镜驱动聚焦后的二氧化碳激光辐照熔石英样品的表面，以改变熔石英样品受二氧化碳激光辐照位置的熔石英材料微结构，使熔石英样品上形成多个微结构调控区，所有的微结构调控区共同构成材料微结构调控区阵列，其中，所述熔石英材料微结构为熔石英材料处于假想温度状态下的结构状态；
S6：采用兆声波配合氢氟酸溶液刻蚀熔石英样品，利用不同假想温度的熔石英材料的受氢氟酸作用的刻蚀速度的巨大差异，通过氢氟酸刻蚀熔石英材料受二氧化碳激光辐照形成的微结构调控区阵列，呈现出微结构调控区阵列轮廓，形成凹面微透镜阵列，即得到熔石英微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤S4中，所述扫描路径为正方形堆积排列或六角形堆积排列。
3.根据权利要求1或2所述的原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤S4中，设置扫描相邻行之间的出光延迟时间。
4.根据权利要求1或2所述的原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤S5中，需对熔石英样品进行预抛光。
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