CN106324727A - 自聚焦微透镜阵列的制作系统及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自聚焦微透镜阵列的制作系统及制作方法，包括如下步骤：1)薄膜微型光学谐振腔的制备，在衬底上生长第一层金属薄膜，接着在第一层金属薄膜上生长一层半导体薄膜，最后在半导体薄膜上生长第二层金属薄膜，半导体薄膜与第一层金属薄膜和第二层金属薄膜的界面处形成肖特基结；2)光照形成自聚焦微透镜阵列，把制备的薄膜微型光学谐振腔放置于激光光路中，激光经滤波、准直后，垂直聚焦在薄膜型光学谐振腔的表面，光从衬底一侧进入，从第二层金属薄膜一侧透出，照射设定时间后，得到自聚焦微透镜阵列。本发明构造精巧、制备简单、不产生任何污染排放、不浪费材料、成品率高。透镜的口径由照射光束横截面尺寸决定。

Description

自聚焦微透镜阵列的制作系统及制作方法

技术领域

本发明涉及微小光学元件的制作方法，具体涉及自聚焦微透镜阵列的制作系统及制作方法。

背景技术

自聚焦微透镜阵列又称梯度折射率透镜，是指其内部的折射率分布沿径向逐渐减小的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能。目前，其制备方法，主要有离子交换法、热扩散共聚法、光刻-离子交换法、电子束平板印刷法和质子交换法。如，光刻-离子交换法的加工工艺，包括如下步骤：首先将玻璃基片研磨抛光、表面溅射一层金属钛掩模，其基本点是在高温下玻璃基片中的一价氧化物被离解成一价正离子，它和熔盐中的一价正离子因扩散而发生离子交换，即玻璃中的一价正离子（钠离子）被熔盐中的一价正离子（钛离子）部分取代，引起玻璃局部体积膨胀，密度变小，在窗口表面，由于不存在来自外界的应力，只有来自玻璃内部离子的引力，该力总是力图使表面积减小、另外，由于体积膨胀，表面凸起，表面积增加，表面张力的作用是使表面能减至最小，即表面积趋于最小，因而凸起表面成为球面，形成自聚焦透镜阵列。

以上的这些方法普遍存在制作工艺繁琐，制作得到的微透镜尺寸大（毫米级），工艺方法具有工序多、成本高的缺点。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种自聚焦微透镜制作系统及制作方法。本发明应用薄膜生长方法结合光照的方法就可简便实用地制备出符合要求的自聚焦微透镜阵列。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种自聚焦微透镜制作系统，包括依次排列的激光光源、半波片、滤波器、凸透镜、衰减器以及薄膜微型光学谐振腔，其中，所述薄膜微型光学谐振腔包括第一层金属薄膜、半导体薄膜和第二层金属薄膜，半导体薄膜位于第一层金属薄膜和第二层金属薄膜之间，使半导体薄膜与两层金属薄膜之间的界面处形成肖特基结；

激光光源发射的激光依次通过半波片、滤波器、凸透镜、衰减器垂直照射于所述第一层金属薄膜的表面；

激光光源与薄膜微型光学谐振腔满足以下关系：

2nd=mλ，其中，d为半导体薄膜的厚度，n为半导体薄膜的折射率，λ为入射激光的波长，m为正整数。

自聚焦微透镜阵列的制作方法，包括如下步骤：

1）薄膜微型光学谐振腔的制备

在衬底上生长第一层金属薄膜，接着在第一层金属薄膜上生长一层半导体薄膜，最后在半导体薄膜上生长第二层金属薄膜，半导体薄膜与第一层金属薄膜和第二层金属薄膜的界面处形成肖特基结；

2）光照形成自聚焦微透镜阵列

把制备的薄膜微型光学谐振腔放置于激光光路中，激光经滤波、准直后，垂直聚焦在薄膜型光学谐振腔的表面，光从衬底一侧进入，从第二层金属薄膜一侧透出，照射设定时间后，得到自聚焦微透镜阵列。

在本文中，光学谐振腔，主要是由一对面对面的平面或曲面反射镜构成。当光学谐振腔的长度即镜面间距d、腔内介质折射率n、入射光波长λ，满足2nd=mλ(m为正整数)时，入射波和反射波在腔内形成驻波。

本发明的“薄膜微型光学谐振腔”为由两金属薄膜作为平面反射镜，中间半导体薄膜层为腔内介质，其折射率为n、厚度就是镜面间距d，d在300纳米左右。

肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面，它与PN结相似，具有非线性阻抗特性。基本原理为半导体的逸出功一般比金属的小，故当金属与半导体（以N型为例）接触时，电子就从半导体流入金属，在半导体表面层内形成一个由带正电不可移动的杂质离子组成的空间电荷区，在此区中存在一个由半导体指向金属的电场，犹如筑起了一座高墙，阻止半导体中的电子继续流入金属。

半导体薄膜的两端，均与金属薄膜接触，分别形成肖特基结，即在半导体薄膜的两端形成两个内建电场。

激光照射薄膜微型光学谐振腔时，在薄膜微型光学谐振腔内形成驻波，又因为半导体薄膜为光折变材料，光照产生的载流子在内建电场作用下按驻波光强重新分布，形成折射率光栅，光栅条纹平行于薄膜界面并沿入射光方向排列，在薄膜内形成一系列微型汇聚透镜（如图1中的“黑点”的排列方向），即为自聚焦微透镜阵列，起到聚焦入射光线的作用。

驻波为两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时，互相叠加而成的波。

光折变材料是指在光照射下能吸收光子而产生电荷转移，从而形成空间场，再通过电光效应（某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应）使折射率发生改变的材料。

载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和空穴。

折射率光栅是指折射率空间分布的差异呈周期性排列。光在不同折射率区域的光速不同，透射出的光波方向和强度发生改变。

优选的，步骤1）中，所述衬底为BaF₂衬底。BaF₂衬底对光吸收少，透光波长范围宽。透光波长范围0.2-25微米，透光率92%以上。

优选的，步骤1）中，所述第一层金属薄膜为铜薄膜、金薄膜或银薄膜，金属薄膜的厚度为10-30nm。

步骤1）中，所述第一层金属薄膜的生长方法有真空蒸发、磁控溅射、激光溅射、分子束外延等方法都可以。磁控溅射方法的步骤具体为：无水乙醇清洗BaF₂衬底，采用99.99%的铜靶，溅射室抽真空到5.0×10^-4Pa，充氩气，工作压力0.45Pa，溅射电压340V，电流80mA，溅射速率0.08nm/s。

优选的，步骤1）中，所述半导体薄膜为窄带隙硫属铅盐化合物半导体薄膜。窄带隙半导体材料的折射率高，所需的微型腔腔长更短；光折变效应更强，更易于形成自聚焦阵列透镜。

硫属元素为硫、硒、碲；硫属铅盐为硫属元素与铅元素的化合物。

进一步优选的，所述半导体薄膜的厚度为λ/10-300nm，λ为入射光波长。半导体薄膜的最小厚度为λ/10，在满足这一条件基础上，厚度小，形成的透镜数目少，聚焦效果差；厚度太大，薄膜材料自身的吸收衰减太大。

优选的，步骤1）中，所述半导体薄膜的制备方法有真空蒸发、磁控溅射、激光溅射、分子束外延都可以。磁控溅射的步骤具体为：在第一层金属薄膜上溅射半导体薄膜，采用99.99%的半导体靶材，溅射室工作压力0.45Pa，溅射功率20W，溅射速率0.09nm/s。

优选的，步骤1）中，所述第二层金属薄膜为铜薄膜，第二层金属薄膜的厚度为20-30nm。

第一层金属薄膜处于光的输入端，要保证一定光强度光的进入，不能太厚。第二层金属膜主要起反射作用，不同的厚度对应不同的反射率，还可以起到调节折射率光栅强弱的作用。

优选的，步骤2）中，所述激光的波长需要形成驻波。

进一步优选的，步骤2）中，所述激光的功率和照射时间的乘积为0.2-0.5J/cm²。

更进一步优选的，所述激光的功率为0.19mw/cm²，照射时间为40分钟。

上述制作方法制作得到的自聚焦微透镜阵列。

本发明的有益效果为：

本发明构造精巧、制备简单、不产生任何污染排放、不浪费材料、成品率高，利用谐振腔结构形成驻波，由光折变材料把渐变折射率光栅固定下来，有一定的稳定性的自聚焦微透镜阵列。透镜的口径由照射光束横截面尺寸决定，聚焦效果由腔长尺寸和金属膜反射率控制，因此只要合理设计这几个参数，可以满足各种需要。

本发明自聚焦微透镜口径由照射光束横截面尺寸决定，可小至微米级。

附图说明

图1为本发明的薄膜微型光学谐振腔结构示意图；

图2为光照形成自聚焦微透镜阵列的结构示意图。

其中，1、第一层金属薄膜，2、半导体薄膜，3、第二层金属薄膜，4、激光光源，5、半波片，6、空间滤波器，7、凸透镜，8、衰减器，9、薄膜型光学谐振腔，10、电荷耦合器件，图1中的黑点代表电子，白点代表空穴。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1和图2所示，一种自聚焦微透镜制作系统，包括依次排列的激光光源4、半波片5、空间滤波器6、凸透镜7、衰减器8以及薄膜微型光学谐振腔9，其中，所述薄膜微型光学谐振腔9包括第一层金属薄膜1、半导体薄膜2和第二层金属薄膜3，半导体薄膜2位于第一层金属薄膜1和第二层金属薄膜3之间；

激光光源4发射的激光依次通过半波片5、空间滤波器6、凸透镜7、衰减器8垂直照射于所述第一层金属薄膜的1表面。

自聚焦微透镜阵列的制作方法，包括如下步骤：

1）薄膜微型光学谐振腔的制备

在BaF₂衬底上生长第一层铜薄膜，厚度为10nm，接着在第一层铜薄膜上生长一层硫化铅半导体薄膜，厚度为300nm，最后在半导体薄膜上生长第二层铜薄膜，厚度为30nm，半导体薄膜与第一层铜薄膜和第二层铜薄膜的界面处形成肖特基结；

2）光照形成自聚焦微透镜阵列

把制备的薄膜微型光学谐振腔9放置于上述激光光路中，激光光源4，波长为532nm，发射的激光经滤波、准直后，垂直聚焦在薄膜型光学谐振腔9的的表面（图1中的箭头方向即表示激光的照射方向），照射光束的直径为100微米-5000微米，激光从衬底一侧入射，从第二层金属薄膜3一侧透出，照射设定时间后，得到自聚焦微透镜阵列，自聚焦微透镜阵列按照射光线的方向排列，自聚焦微透镜阵列的直径与照射光束直径相同。

形成的自聚焦微透镜阵列的形状与激光光束在半导体薄膜2内的形状相同。

透镜孔径与照射光束直径同一量级为100-5000微米，透镜个数为光栅的周期数，即2nd/λ，其中，镜面间距d、腔内介质折射率n、入射光波长λ。

将上述激光光路保持不变，改变衬底的种类、金属薄膜的种类及厚度以及半导体薄膜的种类及厚度，其自聚焦微透镜阵列的形成原理与实施例1是相同的，是可以预期的，在此不再赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自聚焦微透镜制作系统，其特征在于：包括依次排列的激光光源、半波片、滤波器、凸透镜、衰减器以及薄膜微型光学谐振腔，其中，所述薄膜微型光学谐振腔包括第一层金属薄膜、半导体薄膜和第二层金属薄膜，半导体薄膜位于第一层金属薄膜和第二层金属薄膜之间，使半导体薄膜与两层金属薄膜之间的界面处形成肖特基结；

激光光源发射的激光依次通过半波片、滤波器、凸透镜、衰减器垂直照射于所述第一层金属薄膜的表面；

激光光源与薄膜微型光学谐振腔满足以下关系：

2nd＝mλ，其中，d为半导体薄膜的厚度，n为半导体薄膜的折射率，λ为入射激光的波长，m为正整数。

2.自聚焦微透镜阵列的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)薄膜微型光学谐振腔的制备

在衬底上生长第一层金属薄膜，接着在第一层金属薄膜上生长一层半导体薄膜，最后在半导体薄膜上生长第二层金属薄膜，半导体薄膜与第一层金属薄膜和第二层金属薄膜的界面处形成肖特基结；

2)光照形成自聚焦微透镜阵列

把制备的薄膜微型光学谐振腔放置于激光光路中，激光经滤波、准直后，垂直聚焦在薄膜型光学谐振腔的表面，光从衬底一侧进入，从第二层金属薄膜一侧透出，照射设定时间后，得到自聚焦微透镜阵列；

激光光源与薄膜微型光学谐振腔满足以下关系：

2nd＝mλ，其中，d为半导体薄膜的厚度，n为半导体薄膜的折射率，λ为入射激光的波长，m为正整数。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述衬底为BaF₂衬底。BaF₂衬底对光吸收少，透光波长范围宽。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述第一层金属薄膜为铜薄膜、金薄膜或银薄膜。

5.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：金属薄膜的厚度为10-30nm。

6.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述半导体薄膜为窄带隙硫属铅盐化合物半导体薄膜。

7.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述半导体薄膜的厚度为λ/10-300nm，λ为入射光波长。

8.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述第二层金属薄膜为铜薄膜、金薄膜或银薄膜，第二层金属薄膜的厚度为10-30nm。

9.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤2)中，所述激光的功率和照射时间的乘积为0.2-0.5J/cm²。

10.权利要求2-9任一所述制作方法制作得到的自聚焦微透镜阵列。