CN110058332A - 一种微透镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微透镜的制作方法，是通过压力控制微型喷头形成凸起的紫外固化胶液滴形状，经接触转移定量液滴到光纤端面或其它衬底表面，由于表面张力作用使光纤端面或其它衬底表面的液滴自然形成球形透镜形状，再经过固化得到微透镜。本发明的方法既可以在光纤端面、也可在其它任意材料表面制作微透镜，不仅可制作单透镜，也可制作透镜阵列，可实现微透镜的批量制作，所制作光纤微透镜损耗低。

Description

一种微透镜的制作方法

技术领域

本发明涉及一种微透镜的制作方法，尤其涉及一种光纤微透镜的制作方法。

背景技术

从20世纪末微光学技术的迅速发展，传统光学的重要器件之一—透镜，也变得更加微型化和多功能化，出现了微透镜及其阵列。微透镜尺寸小，易集成，被广泛应用于光学复眼技术、光互连、光学耦合以及显微成像等领域。

为使结构更加紧凑，光纤微透镜应运而生，其是一种在光纤端面上直接制作的微透镜，一般透镜直径在微米量级，实现光纤输出光束的准直和聚焦，广泛应用于光传输、光纤传感和光纤耦合等方面。

目前，制作微透镜的方法主要包括精密机械加工和研磨法、化学腐蚀法等。精密机械加工和研磨法，是利用精密加工设备(如光纤端面研磨机)对光纤进行机械和研磨加工，如 CN201310232042.3专利中所提出的对塑料光纤进行先精密机械加工、再精细研磨的方法制作光纤端面微透镜，这类方法对机械加工和研磨设备加工精度要求高、控制难度大，难以实现批量化制作，且成本高。化学腐蚀法制作光纤端面微透镜是通过氢氟酸等蚀刻液对光纤端面进行刻蚀，利用纤芯和包层的刻蚀速度差异，形成光纤锥状透镜，由于化学腐蚀速度控制难度大，其锥形控制困难，且光纤经腐蚀后表面粗糙，所形成光纤锥透镜存在较大光损耗。

专利CN201610575005.6中提出了采用喷墨打印方法，将固化胶等液体滴到过腐蚀的光纤端面形成的凹坑中，再经过加热或光固化的方法制作光纤端面微透镜的方法。由于采用喷墨打印技术进行液滴喷涂，其对制作透镜材料的液体粘度有限制，如：一般喷墨打印设备打印直径小于100微米液滴时，液体粘度系数不能超过100cps，否则无法使用喷墨打印设备进行加工，这极大的限制了这种方法制作微透镜的材料选择。此外，由于微透镜制作需对光纤进行腐蚀，形成凹坑后才能将微透镜定位在光纤纤芯位置，这意味着该方法制作的微透镜限定在光纤端面，而无法实现在任意材料表面微透镜制作。且由于光纤端面存在腐蚀形成的凹坑，这会导致高附加损耗，将限制这种光纤微透镜实际应用价值。

因此，有必要开发一种简单的微透镜制造方法，以解决现有微透镜制造方法所存在上述问题。

发明内容

为避免上述现有技术所存在的不足，本发明的目的在于提供一种微透镜的制作方法

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种微透镜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)、滴定过程

使用空气压缩机通过气管控制微型喷头内压力，使紫外固化胶在喷头喷嘴处凸起呈圆弧状，通过微位移平台控制紫外固化胶圆弧顶部与目标衬底上的目标位置接触并将定量紫外固化胶转移到目标位置，紫外固化胶液滴在表面张力作用下自然形成球形透镜形状；

步骤2)、固化过程

将紫外光经紫外导光纤维引入照射到目标衬底表面的紫外固化胶液滴，使其固化，从而形成微透镜。

进一步地，所述目标衬底可为任意材质的衬底，也可为光纤，光纤微透镜的制作方法包括如下步骤：

步骤1)、滴定过程

使用空气压缩机通过气管控制微型喷头内压力，使紫外固化胶在喷头喷嘴处凸起呈圆弧状，通过微位移平台控制紫外固化胶圆弧顶部与光纤端面进行接触并将定量固化胶转移到光纤端面纤芯位置，光纤端面的紫外固化胶液滴在表面张力作用下自然形成球形透镜形状；

步骤2)、固化过程

将光纤(6)未转移紫外固化胶液滴的一端与紫外光光源(7)通过紫外导光纤维(9)相连，紫外光经紫外导光纤维导入光纤并经光纤传导至转移有紫外固化胶液滴的一端，继而照射到光纤端面的紫外固化胶液滴，使其固化，从而在光纤端面纤芯位置形成光纤微透镜。

进一步地，通过在目标衬底上按照步骤1)和步骤2)制作多个微透镜，可获得微透镜阵列，微透镜尺寸和间距没有限制。

进一步地，通过选择不同孔径的微型喷头和调节微型喷头内部压力大小，控制微型喷头转移到目标衬底上的紫外固化胶液滴体积，也即控制滴定体积，以实现微透镜尺寸和形貌的调节。

进一步地，通过重复步骤1)和步骤2)，并按需调控重复次数，以实现微透镜尺寸和形貌的调节。也即通过多次滴定-固化过程(当转移到目标衬底的液滴经紫外光固化形成微透镜后，在此微透镜表面继续重复步骤1)和步骤2)的滴定和固化过程)，重复次数可以是1次或多次，可以实现透镜尺寸和形貌的调节。

进一步地，所述光纤可以是石英光纤、聚合物光纤等不同光纤类型。

进一步地，所述紫外固化胶是具有紫外光固化特性的任意种类液体，液体粘度特性无特殊要求。

进一步地，所述微型喷头是采用金属、石英或玻璃等材质制作的中空管状结构，管状结构内、外表面经疏水处理。

进一步地，所述紫外固化胶在喷头喷嘴处的凸起圆弧是由喷嘴内、外静压力差形成的稳定状态。

进一步地，所述目标衬底表面经过疏水处理，疏水接触角大于100°。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明所提出的微透镜制作方法，由于采用压力控制微型喷头的液滴凸起，通过接触转移定量液滴到光纤端面或其它衬底表面，避免了采用喷墨打印技术时，对透镜材料的液体粘度限制，且光纤端面无需腐蚀形成凹坑，因而所制作光纤微透镜具有更低的附加损耗。

2、本发明的制作方法由于对光纤端面或其它衬底表面进行了疏水处理，使得所制作的微透镜在表面张力作用下形成接近完美的球形，表面更加光滑。

3、本发明的方法中采用不同尺寸微型喷头和压力控制，可以调节转移液滴的体积，也可以通过多次滴定-固化过程，实现微透镜尺寸和形貌的控制，方法简单、成本低。

4、本发明的方法既可以在光纤端面、也可在其它任意材料表面制作微透镜，不仅可制作单透镜，也可制作透镜阵列，可实现微透镜的批量制作，所制作光纤微透镜损耗低。

5、本发明光纤微透镜的制作过程中，将紫外光从光纤未转移紫外固化胶的一端引入，再经光纤传导后，照射到转移有紫外固化胶液滴的一端，这种设置形式，可以保证紫外光照射在光纤端面的纤芯位置。

附图说明

图1为本发明的光纤微透镜制作示意图，图中标号：1为空气压缩机，2为微位移平台， 3为微型喷头，4为紫外固化胶，5为纤芯，6为光纤，7为紫外光光源，8为气管，9为紫外导光纤维。

图2为光纤端面形成的球形透镜。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例基于微型喷头定量滴定紫外固化胶、并进行曝光固化的一种光纤微透镜的制作方法，具体实施步骤如下：

1、微型喷头制作及表面处理过程

(1)用玻璃毛细管，采用熔融拉制的方法进行不同孔径微型喷头的制作，具体制作方法是：取一根玻璃毛细管，然后用酒精棉擦拭，放到夹持架上，固定，调整高度，调整显微镜放大倍数位置，直到可以在电脑上看到玻璃毛细管清晰图像；

将火焰喷头调整到正对玻璃毛细管的位置，打开针芯阀和火焰开关，放掉管子中剩余的氢气，然后打开氢氧机，当氢氧机上的流量示数固定为一个数值，不再波动时，这时候氢气气流比较稳定，点火，调节火焰大小，调节喷头位置，预热约1分钟，使玻璃毛细管更容易拉细均匀。

在软件里设置毛细管拉制步进电机的位置，左右各设置为0mm位置，速度设置为0.05mm/s，预热过后，点开始，开始拉制，在电脑上实时观察玻璃毛细管的粗细变化，根据比例，计算实际玻璃毛细管直径大小，拉制到理想尺寸时，关闭火焰喷头阀门，步进电机继续拉动，直至将玻璃毛细管拉断，即可以得到需要玻璃毛细管的微型喷头。

通过上述过程，本实施例制作出孔径大小为20-50μm的毛细管喷头。

(2)对光纤端面进行清洗及疏水处理

取一段长度为50cm的光纤，将光纤一端用剥线钳剥掉长约3-4cm的涂覆层，用无水酒精擦去光纤表面污渍，用光纤切割刀将光纤端面切平，把光纤端面放入去离子水烧杯中，在超声清洗机里振荡三分钟，取出用氮气吹干，在干燥箱里继续干燥，去除表面的水分，保证其端面洁净，任何残留的脏物都会影响疏水处理效果。

将光纤端面放置密闭容器内并固定，容器内加入0.1mL(均匀滴入)全氟硅烷(浓度96％)，将光纤端面正面对准全氟硅烷溶液液面，置于真空烘箱中，放置24小时，进行疏水层自组装。然后取出用丙酮清洗、异丙醇(也可用无水乙醇替代)清洗，再放入甲苯溶液中(浓度99.％) 超声2分钟，最后去离子水冲洗并氮气吹干待用。

其它材料表面疏水处理方法同上。

2、定量滴定过程

先通过光学微位移平台2支架，将微型喷头3和光纤6端面沿垂直方向准直对准，如图 1所示，将微型喷头3与空气压缩机1通过气管8相连，搭建好夹具和观察显微镜平台，先控制微型喷头内压力为负值，吸入一定量液体紫外固化胶4，将喷嘴外壁残胶用无水酒精擦拭干净，在显微镜下监测喷嘴处的液滴形貌，精确控制微型喷头内压力为正值，使喷嘴液体表面呈圆弧状凸起。

通过微位移平台移动微型喷头沿竖直方向下降，使喷嘴处液滴圆弧面触碰光纤端面使定量液滴转移到光纤端面纤芯5位置，光纤端面的紫外固化胶液滴在表面张力的作用下将形成球形透镜形貌。

3、固化过程

将光纤6未转移紫外固化胶液滴的一端与紫外光光源7通过紫外导光纤维9相连，紫外光经紫外导光纤维导入光纤并经光纤传导至转移有紫外固化胶液滴的一端，继而照射到光纤端面的紫外固化胶液滴，使其固化，根据紫外光强度不同，固化时间一般为20-40秒，即可完成透镜固化，形成光纤端面球透镜，这样所形成的固化的微透镜位置可精确定位在光纤纤芯处。

当在其它材料表面制作微透镜时，则只需要用紫外导光纤维将光直接照射材料表面的紫外固化胶液滴，即可实现固化。

4、微透镜尺寸和形貌的调节

方法一：直接选择不同孔径的微型喷头，按照上述2和3过程，可使转移到光纤端面的液滴体积不同，所形成微透镜的尺寸就会根据喷头孔径的不同而改变。

方法二：当经过上述1、2和3过程完成了光纤微透镜的固化以后，在光纤微透镜表面继续重复上述2和3过程，即将固化胶转移到第一次滴定形成的微透镜表面，可对原有微透镜的尺寸和形貌进行调节，从而实现对透镜尺寸和形貌的调节。

5、微透镜阵列的制作

微透镜阵列的制作过程与单个微透镜制作过程相同，只需在微透镜制作的衬底表面进行移动，使微透镜在不同位置形成并固化，从而最终构建出微透镜阵列。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微透镜的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)、滴定过程

使用空气压缩机(1)通过气管(8)控制微型喷头(3)内压力，使紫外固化胶(4)在喷头喷嘴处凸起呈圆弧状，通过微位移平台(2)控制紫外固化胶圆弧顶部与目标衬底上的目标位置接触并将定量紫外固化胶转移到目标位置，紫外固化胶液滴在表面张力作用下自然形成球形透镜形状；

步骤2)、固化过程

将紫外光经紫外导光纤维引入照射到目标衬底表面的紫外固化胶液滴，使其固化，从而形成微透镜。

2.根据权利要求1所述的一种微透镜的制作方法，其特征在于，所述目标衬底为光纤，光纤微透镜的制作方法包括如下步骤：

步骤1)、滴定过程

使用空气压缩机(1)通过气管(8)控制微型喷头(3)内压力，使紫外固化胶(4)在喷头喷嘴处凸起呈圆弧状，通过微位移平台(2)控制紫外固化胶圆弧顶部与光纤(6)端面进行接触并将定量固化胶转移到光纤端面纤芯(5)位置，光纤端面的紫外固化胶液滴在表面张力作用下自然形成球形透镜形状；

步骤2)、固化过程

将光纤(6)未转移紫外固化胶液滴的一端与紫外光光源(7)通过紫外导光纤维(9)相连，紫外光经紫外导光纤维导入光纤并经光纤传导至转移有紫外固化胶液滴的一端，继而照射到光纤端面的紫外固化胶液滴，使其固化，从而在光纤端面纤芯位置形成光纤微透镜。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：通过在目标衬底上按照步骤1)和步骤2)制作多个微透镜，可获得微透镜阵列。

4.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：通过选择不同孔径的微型喷头和调节微型喷头内部压力大小，控制微型喷头转移到目标衬底上的紫外固化胶液滴体积，也即控制滴定体积，以实现微透镜尺寸和形貌的调节。

5.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：通过重复步骤1)和步骤2)，并按需调控重复次数，以实现微透镜尺寸和形貌的调节。

6.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述光纤为石英光纤或聚合物光纤。

7.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述微型喷头是采用金属、石英或玻璃制作而成的中空管状结构，管状结构内、外表面经疏水处理。

8.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述紫外固化胶在微型喷头喷嘴处的凸起圆弧是由微型喷嘴内、外静压力差形成的稳定状态。

9.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于：所述目标衬底表面经过疏水处理，疏水接触角大于100°。