CN108957624B - 一种微纳结构在光纤端面的转印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于包括以下步骤：提供一硬质基底，并且在所述硬质基底上形成一用于形成微纳结构的印制模型；在所述硬质基底形成有印制模型的一侧涂覆一层形成层；在所述形成层远离所述硬质基底的一侧与多根光纤的光纤端面进行固定连接；对所述硬质基底以及所述硬质基底上的形成层进行切割整形；将所述硬质基底从所述形成层上分离。本发明引入一层形成层，并且提供一印制模型，所述印制模型能够实现规模化生产，并且其加工工艺可以利用现有的硅加工工艺，只需将所述印制模型的图形转印至所述形成层，可以进行规模化处理。并且本发明在形成所述形成层的过程中采用多层涂覆，有效保证了微纳结构的精度。
Description
技术领域
本发明涉及微纳加工技术领域，具体涉及一种微纳结构在光纤端面的转印方法。
背景技术
光纤作为.一种可将光信号远距离传输并限制在狭小空间内的手段，其光学传感方面的应用得到了深入的研究并在多个领域实现。近二十年来，随着微纳加工科技的进步，越来越多的微纳结构(例如光子晶体，金属纳米结构等)被成功实现并得到了广泛的研究，这些微纳结构带来了众多前所未有的传感特性。自从20世纪70年代以来，科研人员就意识到了将光纤技术和微纳加工技术相结合带来的巨大优势。其后，压力传感器、表面增强拉曼光谱传感器等微纳光纤传感器的实现使这种优势成为了现实。
尽管光纤与微纳加工技术的结合具有非常重要的意义，但是其技术上的实现也面临着一定的挑战。光纤的结构决定了其端面是光唯一的出入口，因此也成为了微纳加工的首选平台。然而光纤端面狭小的空间极大地提高了的微纳加工的技术难度。虽然科研人员已经尝试过多种在光纤端面实现微纳结构的技术，并取得了诸多进展，但是加工技术依旧是微纳光纤传感器发展的瓶颈之一。
目前，在光纤端面进行加工主要采用热熔或者腐蚀技术对光纤端面进行直接加工。热熔状态下，由于表面张力，光纤的端头可形成透镜状或液滴状结构，用于光线的准直或者制备高品质回音壁模式共振腔。热熔状态下的光纤端头还可以通过压印的方式进行加工，但是由于普通玻璃光纤较高的熔点，该技术目前只能应用于低熔点的聚合物光纤和卤化银光纤。使用腐蚀技术，可以完成锥形光纤端面的加工，但是同热熔技术一样，腐蚀技术难以获得更加复杂的微纳结构。
使用更加精密的蚀刻技术，可以在光纤的端面实现更加复杂的结构，这些蚀刻技术包括聚焦离子束技术和飞秒激光技术。研究人员成功使用聚焦离子束在光纤的端头制备了原子力显微镜所需要的探针和悬臂，使用飞秒激光蚀刻技术成功的制备了菲涅尔相位透镜和光栅结构。虽然使用上述的方法可以实现复杂结构的制备，但是由于这些技术不具备规模化的可能性，因此它们仅可以作为科研上原理验证的手段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种微纳结构在光纤端面的转印方法，
本发明提供一种微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于包括以下步骤：
提供一硬质基底，并且在所述硬质基底上形成一用于形成微纳结构的印制模型；
在所述硬质基底形成有印制模型的一侧涂覆一层形成层；
在所述形成层远离所述硬质基底的一侧与多根光纤的光纤端面进行固定连接；
对所述硬质基底以及所述硬质基底上的形成层进行切割整形；
将所述硬质基底从所述形成层上分离。
优选地，所述形成层为PDMS层，形成所述PDMS层包括：
液态PDMS涂覆；
除去所述PDMS层中的气体；
PDMS层固化；
重复PDMS层涂覆-气体去除-固化的过程。
优选地，在所述硬质基底上形成所述形成层之前还包括印制模型处理过程，即对所述硬质基底的印制模型进行处理，形成防粘层。
优选地，所述硬质基底为硅基底。
优选地，所述防粘层通过硅烷处理工艺形成。
优选地，所述多根光纤通过等离子工艺与所述形成层远离所述硬质基底的一侧进行固定连接；
用等离子气体对所述光纤的端面以及所述形成层远离所述硬质基底的一侧进行活化处理，然后使所述光纤的端面以及所述形成层远离所述硬质基底的一侧进行粘合。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明引入一层形成层，并且提供一印制模型，所述印制模型能够实现规模化生产，并且其加工工艺可以利用现有的硅加工工艺，只需将所述印制模型的图形转印至所述形成层，可以进行规模化处理。并且本发明在形成所述形成层的过程中采用多层涂覆，有效保证了微纳结构的精度。
附图说明
图1是本发明的硬质基底的结构示意图；
图2是在所述硬质基底上形成印制模型的结构示意图；
图3是在所述印制模型上形成形成层的结构示意图；
图4是所述形成层与所述光纤进行结合的结构示意图；
图5对所述硬质基底以及形成层进行整形之后的结构示意图；
图6去除所述硬质基底之后的成品的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细得描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包括其他的层或区域。并且将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或者“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，文本将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
如图1和图2所示，提供一硬质基底100，并且在所述硬质基底100上形成一用于形成微纳结构的印制模型101。所述硬质基底100的材料可以为玻璃、石英、金属、有机聚合物以及半导体材料等。在本发明的一个实施例中，所述硬质基底100可以由半导体材料制成，所述半导体材料例如包括Ⅲ-Ⅴ族半导体，如GaAs、InN、SiC，以及Ⅳ族半导体，如Si、Ge。
在以下各实施例中，所述硬质基底100以硅基为例进行说明。
在所述硬质基底100上形成一微纳结构结构的印制模型101，所述微纳结构例如包括光栅、菲涅尔透镜等微纳结构。
本发明中以下实施例中以形成光栅结构为例来说明，但是本发明的微纳结构在光纤端面的转印方法不仅仅适用于光栅结构。
在所述硬质基底100上形成微纳结构的印制模型101，以所述光栅为例，在所述硬质基底100上形成用于制作所述光栅结构的印制模型，所述印制模型101用于光栅结构成型。
形成所述印制模型101的工艺属于半导体领域所公知的工艺，例如在所述硅基上涂覆一层光刻胶，对所述光刻胶进行加热烘干之后，在光刻胶上覆盖一层掩膜版，然后在光刻机下进行曝光，曝光之后的硅基进行显影，刻蚀等工艺，在所述硅基上刻蚀出用于形成所述光栅结构的印制模型101。
进一步地，如图3所示，在所述硬质基底100形成有印制模型101的一侧涂覆一层形成层200。
在本发明的一个实施例中，所述形成层200为一层PDMS(Polydimethylsioxane，聚二甲基硅氧烷)层，PDMS是一种硅氧基聚合物，其化学性质与玻璃相近，与多数光刻胶、显影液、去胶液、金属腐蚀剂相兼容，因此，在现有加工技术中，可以在PDMS基底上完成多种微纳结构的加工。PDMS是一种高分子有机硅化合物，具有光学透明、光学特性、低表面能、高透气性和很好的弹性。PDMS在液态时为一种黏稠液体，被称为硅油；在固态时则为惰性硅胶，具有无毒、疏水性、透明弹性的特征。
在进行涂覆的过程中，会将主剂与固化剂以一定比例均匀混合后，再利用抽真空使混合液中的空气排出，最后在一定温度下烘烤一定时间可使PDMS固化。
本发明中，所涉及的微纳结构通常为菲涅尔透镜或者衍射光栅等装置，这类的衍射装置通常对装置平面与光源的距离有着较为严格的要求，因此，所述PDMS层的厚度就要精确控制，以保证衍射装置的精确度。本发明中，所述PDMS层的形成采用多层涂覆的方式逐步增加所述PDMS层的厚度，同时以静谧的厚度测量仪器对PDMS层的厚度进行监控，最终实现所述PDMS层的精确控制。
具体地，形成所述PDMS层包括步骤：液态PDMS涂覆；除去所述PDMS层中的气体；PDMS层固化；对所述PDMS层的厚度进行测量，如果厚度达到要求，则停止涂覆，如果厚度没有达到要求，则继续重复PDMS层涂覆-气体去除-固化的过程。直至所述PDMS层的厚度达到要求。
进一步地，如图4所示，在所述形成层200远离所述硬质基底100的一侧与多根光纤的光纤300端面进行固定连接；具体的，对所述形成层200远离所述硬质基底100的一侧和所述光纤300端面进行活化处理；并且使所述形成层200远离所述硬质基底100的一侧和所述光纤300端面进行接触并形成粘合。
进一步地，使用氧气等离子处理所述形成层200远离所述硬质基底100的一侧和所述光纤300端面，可以在二者表面生成活性基团，二者接触之后可以形成永久的粘合。
进一步地，对所述硬质基底100以及所述硬质基底100上的形成层200进行切割整形；使多根光纤300之间形成相互独立的整体，且所述光纤300的端面上具形成有硬质基底100以及形成层200。
进一步地，如图5所示，对所述硬质基底100以及所述形成层200进行整形修整，使其直径与所述光纤300的直径相同。
进一步地，如图6所示，将所述硬质基底100从所述形成层200上分离。
在本发明一个优选地实施例中，在所述硬质基底100上形成所述形成层200之前还包括印制模型处理过程，即对所述硬质基底100的印制模型101进行处理，形成防粘层400。
具体地，所述防粘层400通过硅烷处理工艺形成。即使用硅烷处理所述印制模型101的表面，形成所述防粘层400，方便所述形成层200从所述硅基上脱离。
将所述硬质基底100从所述形成层200上脱离之后，所述印制模型101的图形转印至所述形成层200与所述印制模型101相接触的表面，在所述形成层200上形成相应的微纳结构。
本发明引入一层形成层，并且提供一印制模型，所述印制模型能够实现规模化生产，并且其加工工艺可以利用现有的硅加工工艺，只需将所述印制模型的图形转印至所述形成层，可以进行规模化处理。并且本发明在形成所述形成层的过程中采用多层涂覆，有效保证了微纳结构的精度。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于包括以下步骤：
提供一硬质基底，并且在所述硬质基底上形成一用于形成微纳结构的印制模型；
在所述硬质基底形成有印制模型的一侧涂覆一层形成层，所述形成层为PDMS层；
在所述形成层远离所述硬质基底的一侧与多根光纤的光纤端面进行固定连接；
对所述硬质基底以及所述硬质基底上的形成层进行切割整形；
将所述硬质基底从所述形成层上分离。
2.根据权利要求1所述的微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于：形成所述PDMS层包括：
液态PDMS涂覆；
除去所述PDMS层中的气体；
PDMS层固化；
重复PDMS层涂覆-气体去除-固化的过程。
3.根据权利要求1所述的微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于：在所述硬质基底上形成所述形成层之前还包括印制模型处理过程，即对所述硬质基底的印制模型进行处理，形成防粘层。
4.根据权利要求3所述的微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于：所述硬质基底为硅基底。
5.根据权利要求4所述的微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于：所述防粘层通过硅烷处理工艺形成。
6.根据权利要求1所述的微纳结构在光纤端面的转印方法，其特征在于：所述多根光纤通过等离子工艺与所述形成层远离所述硬质基底的一侧进行固定连接；
用等离子气体对所述光纤的端面以及所述形成层远离所述硬质基底的一侧进行活化处理，然后使所述光纤的端面以及所述形成层远离所述硬质基底的一侧进行粘合。
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2018
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