CN106501883B - 一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法：步骤一、选择模具材料；步骤二、将模具材料表面进行磨削与精抛光；步骤三、设计欲加工的微透镜阵列结构方案；步骤四、确定飞秒激光加工参数；步骤五、将模具材料置于飞秒激光精密运动平台上，按照设计好的阵列结构和激光参数在材料表面加工出微透镜阵列结构；步骤六、将飞秒激光加工后的模具材料置于金刚石悬浮液中，采用超声波振动抛光装置进行振动抛光；步骤七、将经过超声波振动抛光的模具材料置于无水乙醇或水溶液中进行超声波清洗，得到模具表面的高精度微透镜阵列结构。该加工方法具有加工周期短，精度高，成本低，加工结构表面平滑等显著优点，且加工过程不存在刀具磨损。

Description

一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法
技术领域
本发明涉及一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，属于超短脉冲激光加工微纳结构和超声波振动抛光技术领域。
背景技术
微透镜阵列是一种光学微结构，具有结构单元小、集成度高、光学性能好等优势，能够满足现代科学技术的发展对光学元件所提出的更高性能要求，在光束整形、光存储、光学区通信、三维成像等领域具有广阔应用，如2014年刘志辉等设计了一种多阶相位的衍射微透镜阵列结构，用以解决面阵半导体激光光束的匀化等难题。对模具表面微透镜结构进行复制加工的技术是实现各种微透镜光学元件大批量加工的重要加工方法，模具表面微透镜结构的加工质量对最终的产品性能具有决定性作用。
目前，通常采用超精密机械加工和激光微纳加工等方法在模具表面加工微透镜阵列结构，如俄亥俄州立大学的A.Y.Yi等使用车削加工在平面圆基面上加工出微透镜直径为2mm的正方形阵列；新加坡国立大学的De Ping Yu等使用车削加工制备了微透镜直径为0.5mm的平面阵列结构；天津大学的房丰洲等通过偏心加工设置，在镀镍钢模具上车削出子镜孔径为2mm的凹六边形子透镜阵列；郭富等使用单点金刚石在铜金属模具表面加工出阵元直径约100um仿复眼式菲涅尔微透镜阵列。西安交通大学的陈烽等使用超短脉冲激光加工与氢氟酸腐蚀结合的方法，在石英玻璃等材料上加工出六边形排布的凹透镜阵列；长春理工大学的Jia Xu等采用六束激光干涉光刻法在硅圆片表面加工出蛾眼结构；北京工业大学的刘先晖等利用CO2激光在玻璃基片表面加工出有效直径395um的微透镜阵列结构。目前基于激光技术的微透镜结构加工工艺主要用于加工玻璃基片、硅基片等材料，加工尺寸较大；超精密机械加工工艺具有加工周期较长，精度较低，加工尺寸较大，容易发生刀具磨损、损坏等缺点。本发明使用超短脉冲激光加工技术，结合超声波振动抛光技术，在硬度极高的硬质合金等模具材料表面加工出口径尺寸为25～100um的微透镜阵列结构，该加工方法具有加工周期短，精度高，成本低，加工结构表面平滑等显著优点，且加工过程不存在刀具磨损等缺陷。
发明内容
为克服超精密机械加工技术的现有缺陷，本发明针对在硬质模具材料表面加工微透镜结构，提出一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，具体而言是一种飞秒激光辅助的超声波振动抛光加工方法，实现了微透镜复眼结构的高重复性、低成本、高效率批量生产，且激光加工过程灵活可控。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，包括以下步骤：
步骤一、选择用于制备表面微透镜阵列结构的模具材料；
步骤二、将模具材料表面进行磨削与精抛光，使加工表面达到镜面效果，表面粗糙度小于50nm；
步骤三、设计欲加工的微透镜阵列结构方案；
步骤四、确定飞秒激光加工参数，选用激光加工功率为1～50W，激光频率为10～500kHz，脉冲宽度为300～900fs，波长为400～1300nm；
步骤五、将模具材料置于飞秒激光精密运动平台上，调整激光束使焦点聚焦至模具材料表面，结合精密运动平台的精确移动，按照设计好的阵列结构和激光参数在材料表面加工出微透镜阵列结构；
步骤六、将飞秒激光加工后的模具材料置于金刚石悬浮液中，金刚石粒度为0.1～25um，采用超声波振动抛光装置对飞秒激光加工后的微透镜阵列结构表面进行振动抛光，超声波振动抛光工艺选取的振动频率为1～50kHz，振幅为1～100um，振动块与模具材料表面间隙为1～2000um，抛光时间为0.5～10h；
步骤七、将经过超声波振动抛光的模具材料置于无水乙醇或水溶液中进行超声波清洗，清洗时间为0.5～60min，即得到模具表面的高精度微透镜阵列结构。
其中，所述的用于加工微透镜阵列结构的模具材料为碳化钨-钴硬质合金。
依照上述制备方法制备得到的微透镜阵列结构，微透镜口径为25～100um，微透镜单元之间间距为0.5～500um，微透镜表面粗糙度最低达到Ra 40nm以下。
本发明采用飞秒脉冲激光在材料表面加工微透镜阵列结构，通过超声波振动抛光技术对微透镜阵列表面进行抛光，最后得到轮廓表面光滑的高精度微透镜阵列结构。
相对于传统微透镜阵列结构加工方法，本发明一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，其优点包括：
(1)本发明利用飞秒脉冲激光直接加工技术在模具材料表面制取微透镜阵列结构，加工工艺简单灵活，加工精度高，可实现快速、高效的大规模微透镜阵列结构加工，加工尺寸范围大，飞秒激光加工工艺参数可调，可满足不同尺寸的微透镜阵列结构应用要求；
(2)本发明利用的超声波振动抛光装置简单，操作灵活，加工效果好，可使微透镜阵列结构获得优质表面，实现了微纳尺度凹透镜阵列结构表面的精加工；
(3)本发明所使用的飞秒激光与超声波振动抛光相结合的加工工艺稳定，设备简单灵活，加工成本低，加工材料广泛。
附图说明
图1为本发明一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法的超声波振动抛光工艺装置图。
图2为使用本发明加工方法加工的微透镜阵列结构的光学显微图像。
图3为图2所示微透镜阵列在共聚焦显微镜下的三维视图之一。
图4为图2所示微透镜阵列在共聚焦显微镜下的三维视图之二。
图中标号如下：
1、固定支架 2、换能器 3、纵向 4、器皿
5、金刚石悬浮液 6、硬质合金模具 7、支撑结构 8、支撑装置
9、夹具
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施作进一步详细叙述。
图1为本发明中所涉及的超声波振动抛光工艺装置图，其中的换能器2由固定支架1夹持，固定支架1由夹具9加紧固定，夹具9被固定在支撑装置8表面，换能器2的下端以超声波频率沿纵向3振动，并带动器皿4中的金刚石悬浮液5快速振动，金刚石悬浮液5中的颗粒以极快的速度冲击硬质合金模具6的上表面，以抛光硬质合金模具6上表面经过飞秒激光加工后的微透镜阵列结构，硬质金属模具6通过一支撑结构7支撑。
本发明提供的一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法：
步骤一、选取用于制备表面微透镜阵列结构的碳化钨-钴硬质合金模具材料；
步骤二、将硬质合金模具材料表面进行磨削与精抛光，使加工表面粗糙度小于50nm；
步骤三、设计加工的微透镜阵列结构为方形阵列，微透镜口径为40um，间距为100um；
步骤四、确定飞秒激光加工参数，选用激光加工功率为20W，激光频率为200kHz，脉冲宽度为800fs，波长为1030nm，脉冲数量为10pulses；
步骤五、将硬质合金模具材料置于飞秒激光精密运动平台上，调整激光束使焦点聚焦至硬质合金模具材料表面，结合精密运动平台的精确移动，按照设计好的阵列结构和激光参数在材料表面加工出微透镜阵列结构；
步骤六、将飞秒激光加工后的硬质合金模具材料置于金刚石悬浮液中，采用换能器下端面产生的超声波频率的机械振动带动金刚石悬浮液快速振动，悬浮液中的金刚石颗粒以极快的速度冲击硬质合金模具材料上表面，对硬质合金模具上表面的微透镜阵列结构进行抛光，其中的换能器下端面振动频率为20kHz，振幅为50um，振动抛光时间为60min；
步骤七、将经过超声波振动抛光的硬质合金模具材料置于水溶液中进行超声波清洗，清洗时间为30min，即得到模具表面的高精度微透镜阵列结构。
依照上述制备方法制备得到的微透镜阵列结构为方形阵列，微透镜口径为25～100um，微透镜单元之间间距为0.5～500um，微透镜表面粗糙度最低达到Ra 40nm以下。
参考图2所示，为光学金相显微镜下观察到的微透镜阵列表面结构，微透镜阵列结构一致性较好，微透镜结构周围无明显损伤，加工精度高；
参考图3和图4所示，为共聚焦显微镜下微透镜结构的三维视图，微透镜结构表面平滑。

Claims (5)

1.一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、选择用于制备表面微透镜阵列结构的模具材料；
步骤二、将模具材料表面进行磨削与精抛光，使加工表面达到镜面效果，表面粗糙度小于50nm；
步骤三、设计欲加工的微透镜阵列结构方案；
步骤四、确定飞秒激光加工参数，选用激光加工功率为1～50W，激光频率为10～500kHz，脉冲宽度为300～900fs，波长为400～1300nm；
步骤五、将模具材料置于飞秒激光精密运动平台上，调整激光束使焦点聚焦至模具材料表面，结合精密运动平台的精确移动，按照设计好的阵列结构和激光参数在材料表面加工出微透镜阵列结构；
步骤六、将飞秒激光加工后的模具材料置于金刚石悬浮液中，采用超声波振动抛光装置对飞秒激光加工后的微透镜阵列结构表面进行振动抛光；
步骤七、将经过超声波振动抛光的模具材料置于无水乙醇或水溶液中进行超声波清洗，清洗时间为0.5～60min，即得到模具表面的高精度微透镜阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，其特征在于：所述的用于加工微透镜阵列结构的模具材料为碳化钨-钴硬质合金。
3.根据权利要求1所述的一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，其特征在于：所述的金刚石悬浮液，金刚石粒度为0.1～25um。
4.根据权利要求1所述的一种高精度微透镜阵列结构的微纳制备方法，其特征在于：所述步骤六中超声波振动抛光工艺选取的振动频率为1～50kHz，振幅为1～100um，振动块与模具材料表面间隙为1～2000um，抛光时间为0.5～10h。
5.一种利用权利要求1所述的微纳制备方法制备的高精度微透镜阵列结构，特征在于：微透镜口径为25～100um，微透镜单元之间间距为0.5～500um，微透镜表面粗糙度最低达到Ra 40nm以下。
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