CN110510887A - 多焦点光学曲面的制造方法和光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多焦点光学曲面的制造方法和一种包括所述光学曲面的透镜的光学装置。所述制造多焦点光学曲面的方法包括在光学基材中设置至少两个目标光点，并生成所述至少两个目标光点的全息相位；其中至少两个目标光点中的两个目标光点分别设置在光学基材的表面和内部，将至少两个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区，将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

Description

多焦点光学曲面的制造方法和光学装置

技术领域

本发明涉及一种利用飞秒激光制造多焦点光学曲面的方法，特别是利用飞秒激光进行微纳米尺度的加工以制造多焦点光学曲面的方法。

背景技术

光学曲面是指表面粗糙度远小于光波长的三维曲面，可应用于光学领域，包括聚焦、成像、波前校正和光相位调制等。微光学曲面是指尺寸在微米到百微米量级的光学曲面，由于其体积小、重量轻、可集成性强等特点，在众多领域具有重要的应用价值，如微加工、光学成像、量子光学等。大尺寸的曲面光学曲面的制备和加工通常采用机械加工的方式，但是这种加工方式不适用微光学曲面。

飞秒激光是一种脉冲宽度在飞秒量级的脉冲激光，具有超窄的脉冲宽度、超高的峰值功率，能够实现真三维超衍射极限加工，被广泛应用于微纳加工领域，包括微光学曲面的制备。利用飞秒激光制备石英片之类的光学基材的微光学曲面一般分为飞秒激光单点直写制备方法和飞秒激光单点曝光与湿法腐蚀技术相结合制备方法。飞秒激光单点直写制备方法的技术灵活，可以制备任意类型的微曲面，然而形成的光学表面粗糙度较大，需要后续的抛光手段；飞秒激光单点曝光与湿法腐蚀技术相结合制备方法利用飞秒激光对石英片基材进行单点曝光，然后利用氢氟酸溶液将曝光后的石英片基材腐蚀一定时间之后形成微球形凹面。后一种方法的制备效率高，微球面的表面质量好，但形成的光学曲面形状单一，只能制备球形凹面的微光学曲面。

发明内容

本发明的目的是克服或减轻现有技术中的技术局限和缺点。

本发明的一个方面提供了一种多焦点光学曲面的制造方法，包括：

定位步骤：在光学基材中设置至少两个目标光点，并生成所述至少两个目标光点的全息相位；其中所述至少两个目标光点中的两个目标光点分别设置在所述光学基材的表面和所述光学基材的内部，

烧蚀步骤：将所述至少两个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区，

腐蚀步骤：将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

在一个实施例中，所述全息相位包括所述目标光点的空间坐标和相对能量；生成所述至少两个目标光点的全息相位的步骤包括，将在所述光学基材的表面上的一个目标光点的空间坐标设置为坐标原点，相对能量设置为1，然后计算所述至少两个目标光点中的其余的每个目标光点的空间坐标和相对能量，形成全部目标光点的全息相位集合。

在一个实施例中，所述至少两个目标光点中的每个目标光点的相对能量的取值范围为0.2-1。

在一个实施例中，将被调制后的飞秒激光同时通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处，并同时对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀。

在一个实施例中，所述至少两个目标光点包括两个目标光点，其中位于光学基材内部的目标光点设置成沿调制后的飞秒激光的传播方向与所述光学基材的表面上的目标光点间隔开。

在一个实施例中，所述两个目标光点之间的间隔距离为5-100μm。

在一个实施例中，还包括对固定所述光学基材的平台进行校准的步骤，包括，将所述光学基材固定在所述平台上；将激光的功率调整至能够聚焦而不能烧蚀的范围；对所述平台进行空间调节，直到固定有所述光学基材的所述平台在与所述平台平行的平面内平移时激光能够保持聚焦在所述光学基材的表面为止。

在一个实施例中，所述平台还能够沿与所述平台垂直的方向平移。

在一个实施例中，在所述烧蚀步骤之前和所述腐蚀步骤之后还包括对光学基材的清洁和干燥的步骤。

本发明的一个方面提供了一种光学装置，包括透镜，所述透镜的光学曲面由上述方法制成。

根据本发明的多焦点光学曲面的制造方法具有如下优点：(1)传统湿法腐蚀技术中，单点曝光腐蚀之后只能形成一个凹透镜，相较而言，本发明的方法能够制备出具有高表面质量的复杂三维结构，并不增加加工系统的复杂性或延长加工时间。(2)与飞秒激光单点扫描加工相比，本发明的方法具有更高的加工效率及加工精度，通过合理设置飞秒激光的调制参数，可以实现具有复杂轮廓的光学曲面。

附图说明

图1为本发明的制造多焦点光学曲面的方法的实施示意图，其中，(a)图示出在烧蚀步骤中飞秒激光被调制后分别聚焦在光学基材的表面和内部的示意图；(b)图示出腐蚀步骤过程中光学基材被腐蚀的形状；

图2为本发明的方法制备的一种多焦点光学曲面的剖面示意图；

图3为本发明的制备方法的腐蚀步骤的不同阶段的腐蚀效果的俯视示意图，其中，(a)-(f)分别对应经过腐蚀时间10、20、30、40、50、60min的光学曲面结构；

图4为本发明的制备方法的腐蚀效果随时间变化的剖面分析曲线；以及

图5为本发明的方法制备的具有多焦点光学曲面的双焦点透镜的成像效果图，其中，主图为位于光学基材的表面的目标光点形成的透镜所成的较大虚像，插入图为位于光学基材的内部的目标光点形成的透镜所成的较小虚像。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明的总体构思，提供一种制造多焦点光学曲面的方法，包括定位步骤：在光学基材中设置至少两个目标光点，并生成所述至少两个目标光点的全息相位；其中所述至少两个目标光点中的两个目标光点分别设置在所述光学基材的表面和所述光学基材的内部，烧蚀步骤：将所述至少两个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区，腐蚀步骤：将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

另外，在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图1为本发明的制造双焦点透镜的双焦点光学曲面的方法的实施示意图，其中，(a)图示出在烧蚀步骤中飞秒激光被调制后分别聚焦在光学基材的表面和内部的示意图；(b)图示出腐蚀步骤过程中光学基材被腐蚀的形状。如图1所示，在光学基材101中设置两个目标光点101，102，这两个目标光点分别设置在所述光学基材的表面和所述光学基材的内部，在本实施例中，光学基材为5mm×5mm的石英片100。光场被调制成沿着目标光点101和目标光点102的连线的方向，并且能够同时分别聚焦于目标光点101和目标光点102处，以便能够利用单脉冲对石英片表面和内部两点同时进行烧蚀。然后执行湿法腐蚀，对表面和内部中被烧蚀的区域进行腐蚀，通过控制腐蚀时间和目标光点101、102的相对能量，可以快速制备尺寸可调的复杂的多焦点光学曲面。

根据本发明的利用光场调制与湿法腐蚀相结合制造多焦点光学曲面的方法，具体包括以下步骤：

定位步骤：在光学基材中设置至少两个目标光点，如图1所示，在本实施例中，石英片100中设置了两个目标光点101和102，这两个目标光点101和102在图1中沿竖直方向对齐，其中，目标光点101设置在石英片100的表面，目标光点102设置在石英片100的内部。激光光束方向为竖直向下，经过调制的飞秒激光经过一系列的透镜200后，同时分别聚焦于目标光点101和102处，如图1(a)中右侧方框放大图中所示。

在一些可选的实施例中，在定位步骤之前，还包括对固定光学基材，即石英片100的平台进行校准的步骤，此步骤具体包括，将所述光学基材固定在平台上；一方面将激光的功率调整至能够聚焦而不能烧蚀的范围；另一方面对所述平台进行空间三维调节，直到固定有所述光学基材的所述平台在与所述平台平行的平面内平移时激光能够保持聚焦在所述光学基材的表面为止。此外，固定光学基材的平台还能够沿与所述平台垂直的方向平移。

在一个具体的实施例中，对固定石英片的平台进行校准，所用的石英片为双面抛光的JGS1石英玻璃片，此石英玻璃片可以在市面上商业获得，石英片的尺寸为5mm×5mm。固定方式具体为将石英片直接放置在镂空的底座上，利用重力及气压将石英片固定；所述平台为具有三维位移的组合式平台，该组合式平台在空间三维方向上的行程为2cm×2cm×100μm。调节时，将待加工的石英片固定在平台的底座上后，调节激光，使得激光经过物镜后可以聚焦于石英片上，另一方面，调节(具体为减小)激光能量，使得激光能量小于石英片的烧蚀阈值，这样，虽然激光光束可以被聚焦于石英片，但是激光光束的焦点不能对石英片进行烧蚀；具体为，打开激光器的光闸，沿激光传播方向平移平台，使激光束能够聚焦在石英片表面，观察聚焦目标光点在电荷耦合元件(CCD)中的形状；建立空间坐标系，使得该空间坐标系的X轴和Y轴平行于平台的平面，该空间坐标系的Z轴垂直于平台的平面，调节时，控制平台沿X轴的正方向移动1cm，并观察光斑的形状，同时调节绕Y轴旋转和沿Z轴移动的旋钮，使得激光聚焦在石英片表面；控制位移平台沿X的负方向移动1cm，同样调节绕Y轴旋转和沿Z轴移动的旋钮，使得激光聚焦在石英片表面；反复进行上述操作，直至平台沿X轴移动时，光斑始终聚焦在石英片表面。用同样的方法，使得位移平台沿Y轴移动时，光斑始终聚焦在石英片表面；此时，固定石英片的平台就已经被校准了。

平台校准后，需要生成目标光点的全息相位，全息相位作为输入参数被输入空间光调制器，空间光调制器根据输入的全息相位对入射的飞秒激光进行调制，从而生成多光点阵列，再利用聚焦物镜及其他光学元件将多光点阵列的光点聚焦于目标光点，对目标光点进行曝光，即烧蚀。空间光调制器一般包括数字空间光调制器和液晶空间光调制器。

一般而言，一个目标光点的全息相位包括该目标光点的空间坐标和相对能量；生成多个目标光点的全息相位的步骤包括，将设置在所述光学基材的表面上的一个目标光点的空间坐标设置为坐标原点，相对能量设置为1，然后计算其余的每个目标光点的空间坐标和相对能量，形成全部目标光点的全息相位集合，形成全息图。全息图通常利用光学全息或计算全息两种途径获取。在本发明中，多个目标光点的全息相位是通过各种算法计算获取，用于计算的各种算法很多，各有优劣，本领域技术人员可以根据需求挑选精度高且计算能力大的算法，在这里不再详细介绍。计算结果显示，每个目标光点的相对能量的取值范围为0.2-1。

在一个具体的实施例中，一个目标光点的全息相位可由四个参数确定：X坐标、Y坐标、Z坐标和相对能量E，即(X，Y，Z，E)。其中，处于原点处的目标光点的全息相位可以表示为(0，0，0，1)。获取全部目标光点的全息相位，并将所有的目标光点的全息相位写入一个txt文件中。

图2为本发明的方法制备的一种多焦点光学曲面的剖面示意图。如图2所示，本发明的实施例的光学曲面由两个球形凹面110、120组合形成，其中将更靠近石英片表面的一个球形凹面110与石英片的表面的交线的圆心设定为成位于坐标原点的目标光点101，将更远离石英片表面的一个球形凹面120的球心位置设定为另一个目标光点102。根据两个球形凹面空间位置关系和半径大小，确定其对应的目标光点101和目标光点102的参数坐标(0，0，0，E1)和(0，0，ΔZ，E2)，在本实施例中，ΔZ取值为5μm，E1和E2取值分别为1和0.2，即目标光点101位于待加工衬底表面原点，目标光点102位于待加工衬底内部深度为ΔZ处。

根据本发明的方法可以通过改变ΔZ和/或两个目标光点的相对能量比来调节两个球形凹面110、120的相对面积和相对尺寸。如果其他参数，例如目标光点101、102的其他位置坐标、相对能量以及对石英片的操作条件都不改变，ΔZ值越大，由于总的腐蚀时间不变，则目标光点102被腐蚀的时间越短，目标光点102对应的球形凹面120的直径与目标光点101对应的球形凹面110(即更接近石英片的表面的球形凹面)的直径相比更小。一般而言，ΔZ的范围为5-100μm。实验表明，ΔZ值越大，目标光点102出现散焦的现象越严重，能量密度越低，超过前述范围，将无法对石英片进行烧蚀。

此外，还可以通过调节目标光点101和102的相对能量比值，来调节与目标光点101和102分别对应的球形凹面110、120的面积比。反之，可以根据双焦点光学曲面的两个球形凹面的面积比来确定相应的能量比值，从而相应地调节激光器的出光口功率。

在本实施例中，利用matlab语言编写全息相位生成程序，利用ORA算法计算全息相位；随后，用该程序读取上述txt文件，经过50次迭代之后，程序的计算精度达到99.0％时，即可将结果输出，此时输出的相位即为待加工光学曲面的所需曝光的目标光点的全息相位。

将所述多个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区。

在本实施例中，使用的飞秒激光的波长为810nm，激光器出光口功率为1000mw，使用的加工物镜的放大位数为2倍；将得到的全息相位加载到空间光调制器上，并将激光能量调节至合理的值，控制好曝光时间，使得激光器只出射一个脉冲；该脉冲经过一组透镜后，照射在空间光调制器上，相位被调制；被调制后的激光脉冲再经过另外一组透镜200之后，分别聚焦在图1(a)中的目标光点1和目标光点2处，对石英片进行烧蚀时，材料表面和内部就同步分别被烧蚀，得到分别对应待加工光学曲面中两个球形凹面的两个烧蚀区域。

将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

在本实施例中，将经过烧蚀的石英片置于氢氟酸溶液中，进行超声处理，使用的氢氟酸溶液体积浓度为40％，处理温度为30℃，时间为80min；经过一段时间腐蚀后，石英片上的两个烧蚀区域都会形成一个表面光滑的凹面，两个凹面融合在一起就形成了所需的多焦点光学曲面。

可选地，在上述烧蚀步骤之前以及腐蚀步骤之后，还可以包括对石英片的清洁和干燥的步骤，例如可以用去离子水清洗石英片5-10次，然后再用洗耳球将石英片吹干。

由图1可知，将全息相位输入至空间光调制器中可将飞秒激光脉冲的光场调制成竖直对齐的两个目标光点101,102。其中，两个目标光点位置和相对能量由各自的全息相位的四个参数决定，即(0，0，0，E1)和(0，0，ΔZ，E2)。通过改变ΔZ可以实现对多焦点光学曲面的深度的调控，通过改变E1、E2则可以通过烧蚀实现对多焦点光学曲面的两个曲面之间的相对尺寸的调控。在本实施例中，其中ΔZ取值为5μm，E1和E2取值分别为1和1。

由图2可知，所需加工的光学曲面具有较为复杂的三维结构，利用现有技术则需要多次烧蚀和腐蚀才能实现，相较而言，本发明的方法仅需一次烧蚀和一次腐蚀即可精确实现。

图3为本发明的制备方法的腐蚀步骤的不同阶段的腐蚀效果的俯视示意图，其中，(a)-(f)分别对应经过腐蚀时间10、20、30、40、50、60min的光学曲面结构。

由图3可知，经过10-60min的刻蚀，所加工的多焦点光学曲面的俯视图从一个圆形逐渐变化成两个同心圆；随着腐蚀时间延长，整个结构横向尺寸也逐渐扩大，使得两个同心圆逐渐靠近。

图4为本发明的制备方法的腐蚀效果随时间变化的剖面分析曲线。在本实施例中，利用具有双目标光点的光场的飞秒激光脉冲对石英片进行单次曝光后，再结合湿法腐蚀加工石英片上被曝光的烧蚀区。图4中的不同的曲线分别表示经过10min、20min、30min、40min、50min和60min的腐蚀时间，石英片的烧蚀区附近的轮廓线。由图4可以看到被加工的石英片的结构发生了如下变化：经过10min的腐蚀，石英片表面处的目标光点101处的烧蚀区域先被腐蚀，由于石英片的材料的各向异性，形成了矩形剖面的微孔；经过20min的腐蚀，矩形底部的内表面趋于光滑，矩形凹面变化成光滑的近半球形凹面；进一步进行腐蚀，经过30min的腐蚀后，石英片的被腐蚀的区域的轮廓逐渐下移到达位于石英片内部的目标光点102的烧蚀区域处，接近半球形的凹面底部出现小孔洞；进一步进行腐蚀，经过40min的腐蚀后，接近半球形的凹面底部的小孔洞扩大并形成矩形凹面，即原先的接近半球形光滑凹面被破坏，初步形成更复杂的三维曲面；进一步进行腐蚀，经过50min、60min的腐蚀后，底部的矩形凹面最终也变成光滑的近半球形凹面，得到所需多焦点光学曲面，即由两个近半球形凹面交叠而成的双焦点光学曲面。

本发明的另一方面还涉及一种光学装置，即双焦点透镜，所述双焦点透镜的光学曲面由上述方法制成。双焦点透镜为一种具有双曲面的微透镜。研究表明，与普通微透镜相比，其具有光束整形和提供光耦合效率等优势，因此可用于光存储、片上实验室实时观测及不同深度成像等。

利用本发明提供的方法能够快速制备具有光滑曲面的高质量双焦点透镜，所述双焦点透镜包括本发明的双焦点光学曲面，具有两个焦点，能够同时在不同的空间位置形成两个高质量的图像。

双焦点透镜的成像过程简单描述如下：利用带有图案(例如图案“F”)的白光光源从双焦点透镜的一侧入射，在光源与双焦点透镜之间会分别成两个正立缩小的虚像；同时，从透镜的另一侧利用光学显微镜对形成的虚像进行放大，然后利用CCD收集图像以供使用者观察。

图5为本发明的方法制备的具有多焦点光学曲面的双焦点透镜的成像效果图，其中，主图为位于光学基材的表面的目标光点形成的透镜所成的较大虚像，插入图为位于光学基材的内部的目标光点形成的透镜所成的较小虚像。

利用本发明的方法制备的具有双焦点光学曲面的透镜的两个球形凹面能够形成两个清晰的图像，如图5所示。从图5中可以观察到这两个图像的亮度和大小具有差异，具体为石英片表面的目标光点形成的虚像较大，亮度较高，石英片内部的目标光点形成的虚像较小，亮度较低。实验证明，透镜的成像效果与透镜的面积相关，使用者可以调整两个目标光点的相对能量比以获得满足实际需求的透镜。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种制造多焦点光学曲面的方法，包括

定位步骤：在光学基材中设置至少两个目标光点，并生成所述至少两个目标光点的全息相位；其中所述至少两个目标光点中的两个目标光点分别设置在所述光学基材的表面和所述光学基材的内部，

烧蚀步骤：将所述至少两个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区，

腐蚀步骤：将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述全息相位包括所述目标光点的空间坐标和相对能量；生成所述至少两个目标光点的全息相位的步骤包括，将在所述光学基材的表面上的一个目标光点的空间坐标设置为坐标原点，相对能量设置为1，然后计算所述至少两个目标光点中的其余的每个目标光点的空间坐标和相对能量，形成全部目标光点的全息相位集合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述至少两个目标光点中的每个目标光点的相对能量的取值范围为0.2-1。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

将被调制后的飞秒激光同时通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处，并同时对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述至少两个目标光点包括两个目标光点，其中位于光学基材内部的目标光点设置成沿调制后的飞秒激光的传播方向与所述光学基材的表面上的目标光点间隔开。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

所述两个目标光点之间的间隔距离为5-100μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括

对固定所述光学基材的平台进行校准的步骤，包括，将所述光学基材固定在所述平台上；将激光的功率调整至能够聚焦而不能烧蚀的范围；对所述平台进行空间调节，直到固定有所述光学基材的所述平台在与所述平台平行的平面内平移时激光能够保持聚焦在所述光学基材的表面为止。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，

所述平台还能够沿与所述平台垂直的方向平移。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，

在所述烧蚀步骤之前和所述腐蚀步骤之后还包括对光学基材的清洁和干燥的步骤。

10.一种光学装置，包括透镜，所述透镜的光学曲面由根据权利要求1-9中任一项所述的方法制成。