CN110596905A - 一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法，该结构包括玻璃材料基板及其表面的随机微透镜阵列结构，且这些微透镜的尺寸和位置均随机分布。该光束均匀化结构利用尺寸和位置均随机分布的微透镜将照射到其表面的入射光束分割为无数孔径大小随机、焦距长短随机的子光束，这些子光束被随机微透镜折射后在基板后方不同位置处发生叠加，每个子光束的微小不均匀性将在叠加过程中被平滑，从而使出射光束更加均匀。该随机微透镜阵列结构的制备方法利用了随机多边形金属掩蔽层导致的随机腐蚀起始位置、玻璃内物质浓度随机分布导致的随机腐蚀速率、二氧化硅腐蚀的各向同性，实现了位置和尺寸均随机分布的微透镜制作。
Description
技术领域
本发明涉及光束均匀化领域和微纳米加工领域，具体涉及一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法。
背景技术
近年来，由于光学系统对于光束质量要求的不断提升，用于激光光束整形、光源照明、环境模拟等领域的光束均匀化器件取得了长足的发展。在激光加工、医疗等激光应用领域，由于激光光束的强度为高斯分布，中心能量高，边缘能量低，在实际应用中存在作用区域不均匀的问题，往往需要将其变换为平顶分布来实现光束均匀化的目的；在LED照明、汞灯照明和太阳模拟器系统中，为了获得均匀的照明条件，需要将光源发出的光束均匀化后再导入光学系统中使用。
目前，光束均匀化技术主要有非球面透镜组、微透镜阵列系统、衍射型光束均匀化器件和随机微透镜阵列等。非球面透镜组利用非球面透镜的相位调制作用，第一个非球面负责整形，第二个非球面负责准直，能量转换率高，但不具有光束适应性，仅对单模高斯光束整形效果较好；微透镜阵列系统由一或两片微透镜阵列与聚焦透镜组成，但微透镜阵列的周期性，聚焦光斑的均匀性较差；衍射型光束均匀化器件是针对单个波长进行设计，一般工作频段较窄，适用于光谱范围小的特定工作场合，不具有通用性。随机微透镜阵列的微透镜焦距和周期均随机分布，因此光束均匀化效果良好，但受限于连续面形微纳米加工技术的发展，现阶段制作的随机微透镜阵列均匀化效果无法满足实用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法。
该用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构包括玻璃材料基板及其表面的随机微透镜阵列结构，这些微透镜的尺寸和位置均随机分布。该光束均匀化结构利用尺寸和位置均随机分布的微透镜将照射到其表面的入射光束分割为无数孔径大小随机、焦距长短随机的子光束，这些子光束被随机微透镜折射后在基板后方不同位置处发生叠加，每个子光束的微小不均匀性将在叠加过程中被平滑，从而使出射光束更加均匀。
该随机微透镜阵列结构的制作方法是借助随机多边形金属掩蔽层的遮挡作用，随机地从不同位置处向玻璃基底内部腐蚀，由于玻璃内部除二氧化硅以外的物质浓度是随机分布的，导致腐蚀速率随机分布，又由于玻璃材料湿法腐蚀的各向同性，呈现出位置、口径均随机分布的微小透镜无序阵列结构。
本发明的显著特点是该光束均匀化结构的制作方法简便易行，对光束的均匀化效果良好，可实现大面积、批量化地制作。
本发明所述的用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，通过以下技术方案进行实施，包括以下步骤：
步骤(1)、以玻璃材料1作为基底；
步骤(2)、利用薄膜沉积技术，在玻璃材料1表面沉积一层金属薄膜2；
步骤(3)、在金属薄膜2上均匀涂覆一层光刻胶3；
步骤(4)、利用光学曝光技术，将掩模板4上的随机多边形结构制作在光刻胶3上；
步骤(5)、经显影，获得光刻胶结构掩蔽层5；
步骤(6)、将整个基片浸入金属薄膜材料腐蚀液6中；
步骤(7)、利用湿法腐蚀技术，将随机多边形结构从光刻胶结构掩蔽层5传递到金属膜层2上；
步骤(8)、清洗掉表面残余光刻胶，获得具有随机多边形结构的金属掩蔽层7；
步骤(9)、将整个基片浸入玻璃材料腐蚀液8中；
步骤(10)、利用湿法腐蚀技术，以表面具有随机多边形结构的金属掩蔽层7作为遮蔽物，腐蚀玻璃基底；
步骤(11)、待玻璃基底表面金属掩蔽层全部被剥蚀掉，腐蚀结束；
步骤(12)、获得表面具有尺寸和位置均随机分布的随机微透镜阵列9，随机微透镜阵列9可用于光束均匀化。
其中，所述步骤(1)中的玻璃材料需含有除二氧化硅以外的其他成分，包括但不限于硅酸盐、碳酸盐、硼酸盐等，且其他成分在玻璃材料内随机分布。
其中，所述步骤(2)中的薄膜沉积技术包括物理气相沉积和化学气相沉积，具体可以为电阻蒸发沉积、电子束蒸发沉积、等离子体溅射沉积、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积。
其中，所述步骤(2)中的金属薄膜材料需对玻璃基底有较强的粘附力，包括但不限于铬、铝、金、银等。
其中，所述步骤(4)中的掩模板上的随机多边形结构需紧密排布，且最大边长不超过100μm。
其中，所述步骤(6)中金属薄膜材料腐蚀液6需能够对金属薄膜2腐蚀。
其中，所述步骤(9)中玻璃材料腐蚀液8需能够对玻璃基底腐蚀。
其中，所述步骤(7)和步骤(10)中湿法腐蚀技术包括浸泡式、喷淋式和震荡式湿法腐蚀技术。
该制备方法利用了随机多边形金属掩模导致的随机腐蚀起始位置、玻璃内物质浓度随机分布导致的随机腐蚀速率、二氧化硅腐蚀的各向同性，实现了位置和尺寸均随机分布的微透镜制作，制作方法简便易行、对光束的均匀化效果良好。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过引入随机多边形金属掩蔽层，使腐蚀的起始位置点随机分布，保证了微透镜阵列位置的随机性，且最大边长不超过100μm，避免出现未被腐蚀到的“孤岛”。
(2)本发明通过利用玻璃内物质浓度的随机分布导致的随机腐蚀速率，从而获得随机的腐蚀深度，提高了器件的光束均匀化效果。
综上所述，本发明解决了光束均匀化结构加工困难和均匀化效果不理想的问题，为光束均匀化器件的性能提升和批量化生产提供了技术支撑。
附图说明
图1是第一实施实例：一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法流程图，其中：1-玻璃材料，2-金属薄膜，3-光刻胶，4-掩模板，5-光刻胶结构掩蔽层，6-金属薄膜材料腐蚀液，7-金属掩蔽层，8-玻璃材料腐蚀液，9-随机微透镜阵列。
图2是掩模板上的随机多边形图案。
图3是光学显微镜明场照明下，获得的随机微透镜阵列表面图像。
图4是光学显微镜暗场照明下，获得的随机微透镜阵列边界图像。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实例一：
如图1中1-1所示步骤(1)，取一块尺寸为80mm*80mm的玻璃材料1作为基底，玻璃材料1选取K9平板玻璃，要求上表面平面度标准差小于20μm；
如图1中1-2所示步骤(2)，利用电子束蒸发沉积技术，在K9平板玻璃表面沉积一层厚度为100nm的金属薄膜2；金属薄膜2选取金属铬膜；
如图1中1-3所示步骤(3)，使用旋转涂覆的方法，在金属铬膜上均匀涂覆一层厚度为600nm的光刻胶3，光刻胶3选取AZ1500光刻胶，并对其进行前烘处理，烘烤温度100℃，时间3min；
如图1中1-4所示步骤(4)，利用接触式曝光技术，在365nm的紫外光下，将掩模板4上的随机多边形结构曝光在光刻胶3上，掩模板上的随机多边形图案如图2所示；
如图1中1-5所示步骤(5)，使用AZ 300MIF显影液浸没式显影30s，获得光刻胶结构掩蔽层5；
如图1中1-6所示步骤(6)，配置金属薄膜材料腐蚀液6，其溶液配比为硝酸铈氨：高氯酸：超纯水＝3:1:10，并将整个基片浸入金属薄膜材料腐蚀液6中；金属薄膜材料腐蚀液6选取金属铬腐蚀液；
如图1中1-7所示步骤(7)，利用浸没式湿法腐蚀技术，将整个基片浸没于金属薄膜材料腐蚀液6中45s，将随机多边形结构从光刻胶结构掩蔽层5传递到金属铬膜上；
如图1中1-8所示步骤(8)，使用丙酮溶剂0清洗掉基片表面残余光刻胶，获得具有随机多边形结构的金属掩蔽层7；金属掩蔽层7为金属铬掩蔽层；
如图1中1-9所示步骤(9)，配置玻璃材料腐蚀液8，其溶液配比为氢氟酸：醋酸：超纯水＝1:3:10，并将整个基片浸入玻璃材料腐蚀液8中；玻璃材料腐蚀液8为K9玻璃腐蚀液；
如图1中1-10所示步骤(10)，利用浸没式湿法腐蚀技术，以表面具有随机多边形结构的金属掩蔽层7作为遮蔽物，腐蚀K9平板玻璃基底；
如图1中1-11所示步骤(11)，待K9平板玻璃基底表面金属铬掩蔽层全部被剥蚀掉，腐蚀结束；
如图1中1-12所示步骤(12)，获得表面具有尺寸和位置均随机分布的随机微透镜阵列9，该结构可用于光束均匀化。
使用光学显微镜获得随机微透镜阵列的放大图，明场照明下如图3，可以看出微透镜表面光滑，微透镜口径随机分布，且均小于40μm；暗场照明下如图4，可以看出微透镜边界清晰，且微透镜位置均随机分布。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构，其特征在于：包括一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构，该结构包括玻璃材料基板及其表面的随机微透镜阵列结构，且这些微透镜的尺寸和位置均随机分布，该光束均匀化结构利用尺寸和位置均随机分布的微透镜将照射到其表面的入射光束分割为无数孔径大小随机、焦距长短随机的子光束，这些子光束被随机微透镜折射后在基板后方不同位置处发生叠加，每个子光束的微小不均匀性将在叠加过程中被平滑，从而使出射光束更加均匀。
2.一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：该随机微透镜阵列结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)、以玻璃材料(1)作为基底；
步骤(2)、利用薄膜沉积技术，在玻璃材料(1)表面沉积一层金属薄膜(2)；
步骤(3)、在金属薄膜(2)上均匀涂覆一层光刻胶(3)；
步骤(4)、利用光学曝光技术，将掩模板(4)上的随机多边形结构制作在光刻胶(3)上；
步骤(5)、经显影，获得光刻胶结构掩蔽层(5)；
步骤(6)、将整个基片浸入金属薄膜材料腐蚀液(6)中；
步骤(7)、利用湿法腐蚀技术，将随机多边形结构从光刻胶结构掩蔽层(5)传递到金属膜层(2)上；
步骤(8)、清洗掉表面残余光刻胶，获得具有随机多边形结构的金属掩蔽层(7)；
步骤(9)、将整个基片浸入玻璃材料腐蚀液(8)中；
步骤(10)、利用湿法腐蚀技术，以表面具有随机多边形结构的金属掩蔽层(7)作为遮蔽物，腐蚀玻璃基底；
步骤(11)、待玻璃基底表面金属掩蔽层全部被剥蚀掉，腐蚀结束；
步骤(12)、获得表面具有尺寸和位置均随机分布的随机微透镜阵列(9)，该随机微透镜阵列(9)可用于光束均匀化。
3.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：步骤(1)中的玻璃材料需含有除二氧化硅以外的其他成分，包括但不限于硅酸盐、碳酸盐、硼酸盐等，且其他成分在玻璃材料内随机分布。
4.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：步骤(2)中的薄膜沉积技术包括物理气相沉积和化学气相沉积，具体可以为电阻蒸发沉积、电子束蒸发沉积、等离子体溅射沉积、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积。
5.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：步骤(2)中的金属薄膜材料需对玻璃基底有较强的粘附力，包括但不限于铬、铝、金、银等。
6.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：步骤(4)中的掩模板上的随机多边形结构需紧密排布，且最大边长不超过100μm。
7.根据权利要求2所述的一种光束均匀化结构的制作方法，其特征在于：步骤(6)中金属薄膜材料腐蚀液(6)需能够对金属薄膜(2)腐蚀。
8.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：步骤(9)中玻璃材料腐蚀液(8)需能够对玻璃基底腐蚀。
9.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：步骤(7)和步骤(10)中湿法腐蚀技术包括浸泡式、喷淋式和震荡式湿法腐蚀技术。
10.根据权利要求2所述的一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于：该随机微透镜阵列结构的制作方法是借助随机多边形金属掩蔽层的遮挡作用，随机地从不同位置处向玻璃基底内部腐蚀，由于玻璃内部除二氧化硅以外的物质浓度是随机分布的，导致腐蚀速率随机分布，又由于玻璃材料湿法腐蚀的各向同性，呈现出位置、口径均随机分布的微小透镜无序阵列结构；该制备方法利用了随机多边形金属掩模导致的随机腐蚀起始位置、玻璃内物质浓度随机分布导致的随机腐蚀速率、二氧化硅腐蚀的各向同性，实现了位置和尺寸均随机分布的微透镜制作，制作方法简便易行，对光束的均匀化效果良好。
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| CN201910971696.5A CN110596905A (zh) | 2019-10-14 | 2019-10-14 | 一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法 |
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2019
- 2019-10-14 CN CN201910971696.5A patent/CN110596905A/zh active Pending
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