CN108145315B - 利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法及其应用，属于激光加工技术领域，提供了利用单个飞秒激光脉冲直接对硬质材料进行灰度加工的方法。采用空间光调制器将飞秒激光调制成一组光强(相对能量)不同的子束波，利用调制后的单个飞秒激光脉冲对硬质衬底进行曝光，可获得一组曝光剂量与子束波光强一一对应的种子点阵。在此基础上进行刻蚀，最终能够得到由一组单元三维尺寸可独立调节的微结构阵列，每个结构单元尺寸由所对应种子的曝光剂量唯一决定。

Description

利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法及其 应用
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用单个飞秒激光脉冲直接对硬质材料进行刻蚀获得微结构阵列，通过空间光调器将飞秒激光单脉冲调制成一组具有不同光强的子束波，以实现子束波光强直接决定阵列结构单元尺寸的灵活控制。
背景技术
微透镜阵列等微结构阵列在微加工、波束成形、集成光流微芯片等领域具有重要应用。目前，用于加工微结构阵列的方法主要有激光直写、钻石研磨、热光刻胶回流、灰度光刻等。将上述方法与刻蚀技术相结合，能够在不同硬度的衬底上获得微结构阵列。然而，这些加工方法要么需要事先加工出具有相应复杂程度的掩膜板，要么无法对硬质材料进行直接刻写，且很难对微结构阵列中的结构单元尺寸进行独立调控。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供利用单个飞秒激光脉冲直接对硬质材料进行灰度加工的方法。采用空间光调制器将飞秒激光调制成一组光强(相对能量)不同的子束波，利用调制后的单个飞秒激光脉冲对硬质衬底进行曝光，可获得一组曝光剂量与子束波光强一一对应的种子点阵。在此基础上进行刻蚀，最终能够得到由一组单元三维尺寸可独立调节的微结构阵列，每个结构单元尺寸由所对应种子的曝光剂量唯一决定。
本发明通过如下技术方案实现：
利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法，具体步骤如下：
(1)、子束波全息图准备；
首先，利用计算机程序A写出一组子束波的代表点的相对能量和空间位置坐标，每个代表点包含四个数据，数据1为该点的相对能量，数据2-4为该子束波代表点的空间位置坐标；所生成代表点的数目、排列方式、间距和每个点的相对能量，均由待加工微结构阵列的周期和阵元排布方式决定；然后，将生成的子束波代表点数据导入计算机程序B，得到对应的子束波全息图；
(2)、单脉冲曝光制备种子点阵；
首先，将步骤(1)中生成的子束波全息图加载在空间光调制器上；然后，将一束飞秒激光脉冲照射在空间光调制器上，使其反射光依次通过透镜F1、透镜F2和平场物镜，最终入射至衬底，在其表面生成与子束波全息图一一对应的光点阵列；这些光点在衬底表面依据各自的相对能量实现不同曝光剂量的烧蚀，形成三维尺寸与光点能量正相关的种子点阵；
(3)、刻蚀制备微结构阵列；
将步骤(2)中制备的含种子点阵的衬底置于氢氟酸中，在常温下进行超声处理，刻蚀后得到所需的微结构阵列。
进一步地，步骤(1)所述计算机程序A为txt文档，所述计算机程序B为MATLAB；所生成子束波代表点的数目为37-127，排列方式为蜂窝状排列，点间距为10-16μm，每个代表点的相对能量为0.70-1.00；所生成全息图的分辨率为1024×1024-1920×1080，位深为8。
进一步地，步骤(2)所述飞秒激光波长为515-800nm，脉冲宽度为190fs；所述透镜F1和F2的焦距分别为400mm和300mm，所述平场物镜的数值孔径为0.7-1.2，放大倍率为30-50；所述衬底为石英；所述子束波在衬底上生成的光点数目、排列方式、间距和各点相对能量，均与步骤(1)中子束波代表点的对应数据完全一致。
进一步地，步骤(3)所述氢氟酸溶液的体积浓度为20-30％，超声处理时间为40-60min。
本发明还提供了利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工方法制备出的微结构阵列在集成光子器件方面的应用，即加工出微透镜阵列结构来实现高质量成像。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、利用飞秒激光单脉冲直接进行刻蚀，能够在各种高硬度衬底和曲面衬底上加工出精细复杂的微结构阵列，大大拓宽了加工对象范围；
(2)、利用调制生成的子束波光强来直接调控微结构单元的三维尺寸，大大提高了结构控制的灵活性和准确性，从而能够实现更精密和功能更强大的微结构；
(3)、从加工效率来说，利用飞秒激光单脉冲直接刻蚀加工还具有产率高、效率高等优势。
附图说明
图1为本发明的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的光路示意图；
图2为本发明的实施例1的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的种子点阵示意图；
图3为本发明的实施例2的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工方法制备的微凹透镜阵列的扫描电镜图；
图4为本发明的实施例2的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工结合浇筑制备的微凸透镜阵列应用于光学成像的光学显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
利用飞秒激光单脉冲在石英衬底上加工微凹透镜阵列。
石英衬底为常用的硬质衬底。先依据所需微凹透镜阵列的具体排列方式定义出种子点阵，然后进行刻蚀，最终可获得在曲面上规则密排的微凹透镜阵列。
利用飞秒激光单脉冲在石英衬底上进行灰度加工的方法，具体步骤如下：
(1)、子束波全息图准备：所需子束波代表点的数目为37，间距为10μm；排列方式为蜂窝状排列，具体包含3圈，第一圈1个点，相对能量为1，第二圈6个点，相对能量为0.9，第3圈12个点，相对能量为0.8，第4圈18个点，相对能量为0.7；首先，利用txt生成一组子束波的代表点，每个代表点包含四个数据，数据1为该点的相对能量，数据2-4为该子束波代表点的空间位置坐标，代表点1的数据为(1，0,0,0)，代表点2的数据为(0.9，17.32,5，0)，代表点3的数据为(0.9，17.32,-5，0)...以此类推；然后，将生成的子束波代表点数据导入Matlab，得到对应的子束波全息图，全息图的分辨率为1024×1024，位深为8。
(2)、单脉冲曝光制备种子点阵：所用生成子束波的装置为空间光调制器，所用光源为飞秒激光脉冲，波长为515nm，脉冲宽度为190fs；所用透镜F1和F2的焦距分别为400mm和300mm，所用平场物镜的数值孔径为0.7，放大倍率为50；所用衬底为石英衬底。首先，将步骤(1)中生成的子束波全息图加载在空间光调制器上；然后，将一束飞秒激光脉冲照射在空间光调制器上，使其反射光依次通过透镜F1、透镜F2和平场物镜，最终入射至衬底(光路如图1所示)，在其表面生成与子束波全息图一一对应的光点阵列；这些光点在衬底表面依据各自的相对能量(1.0-0.7)实现不同曝光剂量的烧蚀，形成三维尺寸与光点能量正相关的微凹透镜种子点阵。
(3)、刻蚀制备微结构阵列：将步骤(2)中制备的含种子点阵的石英衬底置于体积浓度20％的氢氟酸中，在常温下进行超声处理40min，刻蚀后得到最终得到所需的微凹透镜阵列结构。
由图1可知，飞秒激光单脉冲经由空间光调制器调制成所需子束波后，依次经过透镜F1、透镜F2和平场物镜，最终入射至衬底烧蚀出种子点阵。
由图2可知，由飞秒激光单脉冲的子束波在衬底上生成一组蜂窝状排布的种子点阵，种子数目、间距和排列方式与步骤(1)中的各点数据完全一致，种子大小由相对能量决定，即由飞秒激光单脉冲所包含的子束波直接对每个种子点的曝光位置和曝光剂量进行一一对应的控制。
实施例2
利用飞秒激光单脉冲对石英衬底进行灰度加工应用于集成光子成像器件。
利用飞秒激光单脉冲灰度加工，在诸如石英这种高硬度衬底上加工出凹槽型微结构阵列，可作为后续浇筑加工的硬质模板，进而获得更多三维结构微器件。比如，可将单脉冲加工出的微凹透镜结构进行转写，结合浇筑加工的办法即可获得具有反结构的器件，即微凸透镜结构。
(1)、子束波全息图准备：所需子束波代表点的数目为37，间距为16μm；排列方式为蜂窝状排列，具体包含3圈，第一圈1个点，相对能量为1，第二圈6个点，相对能量为0.9，第3圈12个点，相对能量为0.8，第4圈18个点，相对能量为0.7；首先，利用txt生成一组子束波的代表点，每个代表点包含四个数据，数据1为该点的相对能量，数据2-4为该子束波代表点的空间位置坐标，代表点1的数据为(1，0,0,0)，代表点2的数据为(0.9，17.32,5，0)，代表点3的数据为(0.9，17.32,-5，0)...以此类推；然后，将生成的子束波代表点数据导入Matlab，得到对应的子束波全息图，全息图的分辨率为1024×1024，位深为8。
(2)、单脉冲曝光制备种子点阵：所用生成子束波的装置为空间光调制器，所用光源为飞秒激光脉冲，波长为800nm，脉冲宽度为190fs；所用透镜F1和F2的焦距分别为400mm和300mm，所用平场物镜的数值孔径为1.2，放大倍率为30；所用衬底为石英衬底。首先，将步骤(1)中生成的子束波全息图加载在空间光调制器上；然后，将一束飞秒激光脉冲照射在空间光调制器上，使其反射光依次通过透镜F1、透镜F2和平场物镜，最终入射至衬底(光路如图1所示)，在其表面生成与子束波全息图一一对应的光点阵列；这些光点在衬底表面依据各自的相对能量(1.0-0.7)实现不同曝光剂量的烧蚀，形成三维尺寸与光点能量正相关的微凹透镜种子点阵。
(3)、刻蚀制备微凹透镜阵列：将步骤(2)中制备的含种子点阵的石英衬底置于体积浓度30％的氢氟酸中，在常温下进行超声处理60min，刻蚀后得到最终得到所需的具有微凹透镜阵列结构的石英硬质模板。
(4)、浇筑制备PDMS微凸透镜阵列:首先，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物与固化剂按照质量比10:1均匀混合，并在5000r/min转速下离心处理5min去除其中的气泡；然后，将混合后的PDMS覆盖在石英微凹透镜阵列模板上，使其在自重作用下充分填充凹槽阵列，并在65℃条件下加热1.5h完成聚合；最后，待冷却后揭下PDMS膜即完成微凹透镜阵列结构的转写，获得具有其反结构的PDMS微凸透镜阵列。
由图3可知，石英衬底上的种子点阵经由刻蚀后得到呈蜂窝状密排的微凹透镜阵列，具有高达93％的填充因子，说明利用飞秒激光单脉冲对硬质材料的灰度加工能够实现复杂的微结构设计和直接、精准的微结构控制。在此基础上，再利用PDMS进行浇筑即可将微结构转写，最终获得玻璃微凸透镜阵列结构。
由图4可知，利用飞秒激光单脉冲灰度加工结合浇筑法获得的的PDMS微凸透镜阵列可作为集成光子系统中的成像元件，能够进行较高质量的透射光线成像。一个大写字母“F”的图样经PDMS微凸透镜阵列成像为具有相同周期和排布方式的大写字母“F”矩阵，其中微凸透镜焦距为56.3μm。

Claims (5)

1.利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、子束波全息图准备；
首先，利用计算机程序A写出一组子束波的代表点的相对能量和空间位置坐标，每个代表点包含四个数据，数据1为该点的相对能量，数据2-4为该子束波代表点的空间位置坐标；所生成代表点的数目、排列方式、间距和每个点的相对能量，均由待加工微结构阵列的周期和阵元排布方式决定；然后，将生成的子束波代表点数据导入计算机程序B，得到对应的子束波全息图；
(2)、单脉冲曝光制备种子点阵；
首先，将步骤(1)中生成的子束波全息图加载在空间光调制器上；然后，将一束飞秒激光脉冲照射在空间光调制器上，使其反射光依次通过透镜F1、透镜F2和平场物镜，最终入射至衬底，在其表面生成与子束波全息图一一对应的光点阵列；这些光点在衬底表面依据各自的相对能量实现不同曝光剂量的烧蚀，形成三维尺寸与光点能量正相关的种子点阵；
(3)、刻蚀制备微结构阵列；
将步骤(2)中制备的含种子点阵的衬底置于氢氟酸中，在常温下进行超声处理，刻蚀后得到所需的微结构阵列。
2.如权利要求1所述的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法，其特征在于，步骤(1)所述计算机程序A为txt文档，所述计算机程序B为MATLAB；所生成子束波代表点的数目为37-127，排列方式为蜂窝状排列，点间距为10-16μm，每个代表点的相对能量为0.70-1.00；所生成全息图的分辨率为1024×1024-1920×1080，位深为8。
3.如权利要求1所述的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法，其特征在于，步骤(2)所述飞秒激光波长为515-800nm，脉冲宽度为190fs；所述透镜F1和F2的焦距分别为400mm和300mm，所述平场物镜的数值孔径为0.7-1.2，放大倍率为30-50；所述衬底为石英；所述子束波在衬底上生成的光点数目、排列方式、间距和各点相对能量，均与步骤(1)中子束波代表点的对应数据完全一致。
4.如权利要求1所述的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工的方法，其特征在于，步骤(3)所述氢氟酸溶液的体积浓度为20-30％，超声处理时间为40-60min。
5.如权利要求1所述的利用飞秒激光单脉冲对硬质材料进行灰度加工方法制备出的微结构阵列在集成光子器件方面的应用。
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Assignee: Zhongke Jingyi Technology (Guangdong) Co.,Ltd.

Assignor: Jilin University

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Denomination of invention: Method and application of gray processing of hard materials by femtosecond laser single pulse

Granted publication date: 20191108

License type: Exclusive License

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