CN111055009A - 倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法及系统 - Google Patents

倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法及系统，系统包括飞秒激光器、光路传输系统、矩形平顶整形单元和高倍率聚焦显微物镜。先根据系统的最优制造焦深，将倒四棱锥台/四棱锥形状分为n层，计算每一层的层面尺寸，调整系统使其焦面位于倒四棱锥台/四棱锥第1层的h/2位置处，用整形汇聚后的矩形平顶光，对该层加工；依次类推直至第n层。本发明解决现有技术控形能力差及加工能力受限的问题，采用按层面尺寸依次加工，得到深度在百微米级的减反微纳结构，提高了减反微纳结构的减反增透率；通过光斑整形按层面尺寸依次加工，提高了激光微纳加工的控形能力；自上而下加工，加工深径比更大。

Description

倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法及系统
技术领域
本发明涉及一种减反微纳结构的制造方法及制作系统，尤其涉及一种百微米级减反微纳结构的制造方法及制作系统。
背景技术
自然界中的动植物经过几十亿年的进化,完成了适于生存的自身结构的几乎所有功能,实现了结构、材料与功能上的优化统一。随着科学技术的发展,尤其是微观级别的测试技术的进步,某些生物表面结构所展示出来的特殊性能引起人们的极大兴趣,如荷叶表面的超疏水性能、蝴蝶翅膀的结构色、蛾眼减反等。研究生物表面的微纳结构获得启示,并在人工材料表面制备出仿生物表面微纳结构,实现生物表面的某些特殊功能,是仿生新材料发展永恒的主题。其中，减反微纳结构也是一种仿生表面。这种结构最早于上世纪60年代在飞蛾等昆虫的眼角膜中发现，其可以把角膜的表面反射率减小到接近0，同时可以增大视角，所以被认为是一种很有前途的仿生表面减反技术。
减反微纳结构通常用矢量衍射理论进行分析，通常用严格耦合波理论来进行解释。直观上来讲，可以用近似的等效介质理论来解释。因为表面加工微纳结构后，一部分表面物质被去除，并被空气填充，所以微纳结构表面的等效折射率可以看做是空气和衬底材料的平均折射率，介于空气与衬底之间，微结构作为中间层便起到了减反作用。
目前针对减反功能结构主要采用纳米压印、离子束刻蚀、激光诱导周期性结构、光刻法、化学沉积法、溶胶凝胶法等方法进行加工。上述加工方法存在工艺繁琐、控形差、大幅面及曲面加工受限等缺点。
而飞秒激光微纳加工与上述加工方法相比，以其超快、超强的独特性质，带来了全新的制造机理，使得其具有材料适应性广、极小化热影响区、几乎无重铸等加工优势；同时也由于加工中非接触、无需液体/酸碱辅助的特点，基于飞秒激光微纳加工成为了目前最有希望克服微纳结构制造难题的加工方式之一。
虽然飞秒激光微纳加工可以实现大幅面、曲面加工的优势，但是普通的激光直写加工的控形能力较差及加工能力受限。其中，控形能力较差是指：例如根据仿真软件模拟出一种金字塔结构，但由于激光为高斯分布且存在焦深，其加工出来并不是金字塔形状，会在底部呈现“坑状”结构，最终形成不规则的“U形”。加工能力受限是指：例如根据前期的软件模拟，需要加工一个深度100um、表面宽度60um的金字塔形，但是现有的激光直写微纳加工很难通过一次性加工能够得到这样的深度以及尺寸。一般一次性加工的微纳加工的深度在个微米级别(譬如2-5um),目前大多数的学术论文以及微纳制造均可以体现该问题，这就局限了减反的效率以及效果(经前期仿真，深度的增加可以大幅度提高减反功能结构的光能透过率，只是因为目前加工能力较差限制了减反光能透过率的进一步提高)。
发明内容
本发明目的是解决现有技术中飞秒激光直写微纳加工方法控形能力较差及加工能力受限的技术问题，提供一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法及系统。
本发明的技术解决方案是：
一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法，包括以下步骤：
1)根据待加工的倒四棱锥台/四棱锥形状的三维形状以及光学加工系统的最优制造焦深，将所述倒四棱锥台/四棱锥形状分为n层，n的取值原则：若(H/h)为整数，则n＝H/h，若(H/h)不为整数，则n为大于(H/h)且与(H/h)最接近的整数；其中：H为倒四棱锥台/四棱锥形状的深度值；h应小于或等于光学加工系统的最优制造焦深；所述光学加工系统依次包括飞秒激光器、光路传输系统、SLM矩形平顶整形单元和高倍率聚焦显微物镜；
2)通过计算获得倒四棱锥台/四棱锥每一层的层面尺寸；
3)调整光学加工系统使其焦面位于倒四棱锥台/四棱锥最上端第1层的h/2位置处，记录此时高倍率显微物镜的空间坐标；
4)飞秒激光器产生激光，经传输、SLM矩形平顶整形单元整形和高倍率聚焦显微物镜汇聚后，成为第1层所需层面尺寸的矩形平顶光，对第1层进行加工；
5)高倍率显微物镜沿z方向下降，高度为h，将焦面调整至第二层的h/2位置处；
6)通过SLM矩形平顶整形单元和高倍聚焦显微物镜将激光整形汇聚为第2层所需层面尺寸的矩形平顶光，对第2层进行加工；
7)重复步骤5至步骤6，直至第n层，最终完成倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造加工。
上述H大于最优制造焦深；上述倒四棱锥台/四棱锥的大端面为矩形或者正方形，其边长在个微米至百微米量级。
一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造系统，其特殊之处是，包括飞秒激光器、光路传输系统、SLM矩形平顶整形单元和高倍率聚焦显微物镜；所述飞秒激光器产生飞秒激光；所述光路传输系统将飞秒激光传输至SLM矩形平顶整形单元；所述SLM矩形平顶整形单元将飞秒激光整形至尺寸可调的矩形平顶光；所述高倍率聚焦显微物镜用于汇聚矩形平顶光，产生设定的制造焦深和尺寸的矩形激光。
上述高倍率聚焦显微物镜的放大倍数为100X。
上述最优制造焦深小于等于1.5um。
本发明优点：
1.本发明提高了激光微纳加工的能力。目前大多数的微纳加工均属于一次性加工，其微纳加工的深度在个微米级别(譬如2-10um)。本发明通过时域有限差分法模拟仿真了一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构，先将其按焦深分层，再按层面尺寸依次加工，通过匀化解决“坑状”结构，最终得到深度在百微米级的减反微纳结构，从而大大提高了减反微纳结构的减反增透率。
2.本发明提高了激光微纳加工的控形能力。目前的激光直写只能大致与仿真结构的形状相似，控形能力较差。本发明通过光斑整形按层面尺寸依次加工，因此可以进一步提高激光微纳加工的控形能力。
3、本发明采用自上而下的加工方式，有利于加工深径比更大的倒四棱锥台/四棱锥形状。
附图说明
图1是本发明制造系统的原理框图；
图2是本发明制造方法的原理框图；
图3是本发明倒四棱锥和倒四棱锥台形状减反微纳结构的示意图；
图4是本发明制造方法的示意图。
具体实施方式
本发明整型系统包括飞秒激光器、光路传输、SLM矩形平顶整形单元以及100X紧聚焦物镜组成。
以倒四棱锥台为例，其制作方法具体流程如下：
1)采用光学紧聚焦设计，进一步压缩光学整形理论焦深：采用100X聚焦显微物镜，理论焦深≤1μm；按照光学理论，放大倍率越大，其焦深越小，焦深越小，则越有利于分层制造，而且精度也越高。
2)根据待加工的倒四棱锥台形状的不同的材料基底(金属、非金属材料)，不同的激光工艺参数(功率、重频、单脉冲能量)，确定最优的光学整形制造焦深h；
3)分层：根据倒四棱锥台结构的三维形状(上端面：L长×W宽；下端面：L1长×W1宽；H高)，例如根据前期设计倒四棱锥台的三维形状尺寸为(下端面：20μm×10μm；上端面：100μm×90μm；高140μm)，以及最优制造焦深h,将该倒四棱锥台结构分为n＝H/h个层级；n如果不是整数，例如哪怕是3.1，也应该分层为4层，也就是说h可以调整为小于焦深的数字，但不能调整为大于焦深的数字。因为选择大于焦深的数值的话，根据光学系统理论，超出焦深激光不能一次加工到位。焦面是虚线的位置，也就是说每次激光对焦时，都是对焦于每个单元分层的中间。原因是每一层都是一个焦深，按照光学理论，焦深的定义就是分布于焦深上下对称分布的一个距离，即h＝2△f，其中△f则是上下对称分布的距离，即瑞利长度。
4)获得每一层倒四棱锥台结构的层面尺寸Φ1、Φ2…Φn；如图4所示；
5)通过SLM将激光光斑整形为第一层所需的倒四棱锥台层面尺寸Φ1的矩形平顶光；调整高倍率显微物镜使其第一层的加工位置处于其焦面处，记录此时的高倍率显微物镜的空间坐标为(x,y,z)，同时激光出光，进行加工，如图3所示；由于对于激光加工来说，需要在三维运动系统的运动才能实现试件表面各种图案的加工，聚焦显微物镜肯定需要固定在至少是一维的运动轴上，例如固定在Z轴上能实现聚焦显微物镜在上下的方向的运动。而试件一般放在XY两维运动平台上，通过上述三轴配合才可以实现一个平面件上表面图案的加工。
6)调整高倍率显微物镜位于(x,y,z-h)
7)通过SLM将激光光斑整形为第二层所需的倒四棱锥台层面尺寸的矩形平顶光Φ2；
8)出光加工；
9)重复步骤6)至步骤8)，最终完成倒四棱锥台形状减反微纳结构的加工。

Claims (5)

1.一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据待加工的倒四棱锥台/四棱锥形状的三维形状以及光学加工系统的最优制造焦深，将所述倒四棱锥台/四棱锥形状分为n层，n的取值原则：若(H/h)为整数，则n＝H/h，若(H/h)不为整数，则n为大于(H/h)且与(H/h)最接近的整数；其中：H为倒四棱锥台/四棱锥形状的深度值；h应小于或等于光学加工系统的最优制造焦深；所述光学加工系统依次包括飞秒激光器、光路传输系统、SLM矩形平顶整形单元和高倍率聚焦显微物镜；
2)通过计算获得倒四棱锥台/四棱锥每一层的层面尺寸；
3)调整光学加工系统使其焦面位于倒四棱锥台/四棱锥最上端第1层的h/2位置处，记录此时高倍率显微物镜的空间坐标；
4)飞秒激光器产生激光，经传输、SLM矩形平顶整形单元整形和高倍率聚焦显微物镜汇聚后，成为第1层所需层面尺寸的矩形平顶光，对第1层进行加工；
5)高倍率显微物镜沿z方向下降，高度为h，将焦面调整至第二层的h/2位置处；
6)通过SLM矩形平顶整形单元和高倍聚焦显微物镜将激光整形汇聚为第2层所需层面尺寸的矩形平顶光，对第2层进行加工；
7)重复步骤5至步骤6，直至第n层，最终完成倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造加工。
2.根据权利要求1所述倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造方法，其特征在于：所述H大于最优制造焦深；所述倒四棱锥台/四棱锥的大端面为矩形或者正方形，其边长在个微米至百微米量级。
3.一种倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造系统，其特征在于：包括飞秒激光器、光路传输系统、SLM矩形平顶整形单元和高倍率聚焦显微物镜；所述飞秒激光器产生飞秒激光；所述光路传输系统将飞秒激光传输至SLM矩形平顶整形单元；所述SLM矩形平顶整形单元将飞秒激光整形至尺寸可调的矩形平顶光；所述高倍率聚焦显微物镜用于汇聚矩形平顶光，产生设定的最优制造焦深和尺寸的矩形激光。
4.根据权利要求3所述的倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造系统，其特征在于：高倍率聚焦显微物镜的放大倍数为100X。
5.根据权利要求3或4所述的倒四棱锥台/四棱锥形状减反微纳结构的制造系统，其特征在于：所述最优制造焦深小于等于1.5um。
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