CN111679349B - 空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间整形激光加工数值孔径可变微透镜的方法，属于激光应用技术领域。该方法兼顾加工质量、加工效率、形貌可控性，能够实现同种材料上最大范围的控制微透镜数值孔径。该方法采取空间相位整形得到的贝塞尔光束实现对玻璃改性，利用贝塞尔光束的高深径比特性，实现对改性深度的控制，根据数值孔径要求的不同，实现不同深度的改性，单个微透镜定点激光改性，无平移台移动，使用氢氟酸溶液对改性后的样品进行刻蚀，刻蚀后得到高质量数值孔径可控的微透镜加工。这种方法可以兼顾微透镜加工质量、效率、形貌控制，满足微透镜应用中对数值孔径的不同要求。

Description

空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的方法

技术领域

本发明涉及一种空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

微曲面是由于尺寸小、质量轻、集成化程度高、光学性能优异等特点，在航空航天、光学、通讯等领域具有广泛的应用前景。在航空航天领域，毫米量级的凹透镜在积分视场显微镜的核心部件中应用。在光学领域，仿生复眼结构的微透镜阵列提高了视场角，扩大了成像范围；平面微透镜阵列在相机、虚拟现实成像系统中应用，缩小了装置的空间，提高了装置的集成化程度；单个的微透镜，应用到检测领域，实现微透镜溶液的实时检测。在通讯领域，微透镜在光纤通信中广泛应用，实现光束整形，提高耦合效率。高数值孔径微透镜能够提高加工成像分辨率，低数值孔径微透镜能够扩大成像范围，针对不同应用场景对微透镜数值孔径的数值孔径要求不同。

传统机械加工的方法利用单点金刚石车床实现逐点去除加工微透镜，能够实现高质量微透镜加工(SuematsuY,Saito K,Koyama.Development ofmicro-mirror slicerintegral field unit for space-borne solar spectrographs[J].CEAS SpaceJournal,2017,9(4):421-431.)，但是加工效率低，在玻璃类材料上加工困难。飞秒激光具有超快、超强、超精密加工的优势，在加工时，对材料实现瞬时剥离，难以保证微透镜表面粗糙度满足光学要求。飞秒激光辅助其他加工方法被广泛应用，主要包括辅助热处理、辅助刻蚀加工。飞秒激光辅助热处理：利用飞秒激光超精密加工的优势，逐点去处材料，保证微透镜的面型，通过热退火、火焰抛光、连续激光热处理，降低表面粗糙度，此方法能够实现在玻璃上加工高质量微透镜，但是加工效率仍然难以保证。目前，微透镜数值孔径大范围可控加工难以提高效率；微透镜高效加工难以大范围控制数值孔径。因此迫切需要一种能够在玻璃上高效、高质量、大面积、数值孔径大范围可控的微透镜加工方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微透镜加工效率低、加工难度大、形貌可控性差的问题，提供一种空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的方法；该方法采取空间相位整形得到的贝塞尔光束实现对玻璃进行改性，利用贝塞尔光束的高深径比特性，实现对改性深度的控制，根据数值孔径要求的不同，实现不同深度的改性，单个微透镜定点激光改性，无平移台移动，使用氢氟酸溶液对改性后的样品进行刻蚀，刻蚀后得到高质量数值孔径可控的微透镜加工。该方法兼顾加工质量、加工效率、形貌可控性，能够实现同种材料上最大范围的控制微透镜数值孔径，满足微透镜应用中对数值孔径的不同要求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建空间整形加工光路、准直锥透镜和缩束系统，调平平移台；

步骤二、利用光开光控制脉冲个数，利用衰减片调节激光加工能量，微调平移台，以确保在设定脉冲数和能量下，整形成的贝塞尔光束末端能够对材料改性；

步骤三、利用步骤二整形后得到的贝塞尔光束，定点叩击100个脉冲，快速实现样品改性，单个微透镜加工耗时0.1s，根据需要调整聚焦深度实现任意深度的改性，材料改性深度直接控制最终微透镜深度，利用步骤一的光学系统加工；

步骤四、改变氢氟酸刻蚀时间实现对微透镜直径的控制，对步骤三得到的样品在超声辅助下使用10％的氢氟酸溶液刻蚀，在较短的时间内刻蚀完改性区域后，由于微透镜底部和样品表层同步刻蚀，后期刻蚀深度不变直径不断扩大，因此，刻蚀时间由直径决定。刻蚀后样品用超声清洗干净，保证无氢氟酸残留；

步骤五、对得到的结果进行表征，得到微透镜的深度和半径尺寸，随着贝塞尔加工深度的加深，刻蚀后的直径和深度不断增加。利用公式1计算得到微透镜的曲率半径，利用公式2计算得到微透镜的焦距，利用公式3计算得到微透镜的数值孔径。通过改变聚焦深度，实现对微透镜深宽比的控制，当深宽比为1:1时，在同种材料上微透镜数值孔径达到最大，该发明能够控制微透镜的深宽比变化，实现数值孔径控制，控制范围0-0.66，达到了单一材料数值孔径控制的最大限度。

R＝(h²+r²)/2h (1)

f＝Rsin(θ)/sin[(n-n₀)θ] (2)

NA＝r/f (3)

通过计算，得到微透镜数值孔径，绘制数值孔径与聚焦深度的关系对应曲线；

步骤六、根据应用中对直径、深度、数值孔径的要求，重复步骤三、四、五加工；

步骤七、通过编写数控加工程序，联合控制平移台和光开光，可以实现大面积不同形状的微透镜阵列加工。

实现上述方法的装置，包括飞秒激光器、光开关装置、锥透镜、缩束系统、六自由度高精度平移台、成像系统、氢氟酸刻蚀装置；

光路：飞秒激光器发出的激光通过光路准直，保证垂直于入射面并从入射面的中心穿过。通过光开关控制激光的通断，实现对加工脉冲个数控制；通过锥透镜整形光场，实现能量分布高深宽比贝塞尔光束产生；通过缩束系统缩束提高加工能量，保证能够达到材料的改性阈值；通过六自由度高精度平移台带动样品移动，实现焦深改变和阵列加工；通过成像系统对样品成像，实时观测加工过程；通过刻蚀装置对样品进行刻蚀，实现微透镜的最终成型。

有益效果

1.本发明通过空间整形的贝塞尔光束，在玻璃类材料上形成不同深宽比的改性，能够有效的控制刻蚀后微透镜形貌。能够控制微透镜深宽比达到1:1，实现同种材料上最大数值孔径微透镜加工。

2.本发明不同形貌微透镜采用相同的刻蚀时间，因此可以在同一样品上实现不同数值孔径的微透镜加工。

3.本发明加工微透镜可以控制数值孔径从0到0.66变化，满足对不同数值孔径微透镜的应用需求。

4.本发明通过程序联合控制平移台和光开关，实现大面积一致性加工，兼顾加工质量、加工效率、微透镜数值孔径控制能力。

附图说明

图1为本发明空间整形飞秒激光在玻璃上加工微透镜光路搭建示意简图；

图2为本发明空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的加工过程示意简图；

图3为本发明空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的刻蚀前后结果展示；

图4为本发明空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的尺寸统计；

图5为本发明空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的数值孔径统计；

图6为本发明空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的大面积加工结果展示。

其中，1-飞秒激光器、2-衰减片、3-光开关装置、4-反射镜、5-缩束系统、6-二向色镜、7-平凸透镜、8-显微物镜、9-平移台、10-成像系统。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明作进一步说明，

实施例1

该发明适用于硼硅酸盐玻璃、BK-7、BK-9等玻璃类材料的数值孔径可控的微透镜加工，该实例以BK-9玻璃为加工样品。该实例的具体步骤如下：

(1)搭建飞秒激光空间整形加工系统。加工系统采用2°锥透镜实现空间相位整形，产生贝塞尔光束。使用f＝150mm的平凸透镜和20倍显微物镜实现贝塞尔光束缩束。搭建加工光路调节平移台高度，保证贝塞尔末端接近样品上表面。

(2)使用如附图1所示的加工装置进行不同深度的改性加工，主要由-飞秒激光器1、衰减片2、光开关装置3、反射镜4、望远系统5、二向色镜6、平凸透镜7、显微物镜8、平移台9、成像系统10组成。

(3)加工具体操作如下：通过控制衰减片2控制加工能量为3mW。通过控制光开关3控制激光通断，让每一个加工点沉积100个脉冲。控制平移台有效聚焦深度变化，实现对改性深度的控制。在深度方向，刻蚀完改性区域后，深度将不再发生变化，改性深度直接决定最终的微透镜深度。如图2(a)所示，通过控制平移台，贝塞尔光束与样品作用区域的深度发生变化，从而实现对改性的控制，为控制微透镜的形貌做准备，研究有效聚焦深度和数值孔径对应关系。

(4)使用10％的氢氟酸溶液对(3)得到的样品刻蚀两小时。改性区域刻蚀速度快，在较短的时间内刻蚀完成，在后续的刻蚀过程中不断增加，深度保持不变，因此刻蚀时间直接决定微透镜直径。如图2(b)所示，刻蚀前将样品清洗干净避免杂物诱导刻蚀造成缺陷，在通风橱中使用塑料容器超声辅助下对样品进行刻蚀，刻蚀前后的形貌如图3所示，对刻蚀的尺寸进行统计，如图4所示。随着贝塞尔加工深度的加深，刻蚀后的直径和深度不断增加。利用公式1计算得到微透镜的曲率半径，利用公式2计算得到微透镜的焦距，利用公式3计算得到微透镜的数值孔径。通过改变聚焦深度，实现对微透镜深宽比的控制，当深宽比为1:1时，在同种材料上微透镜数值孔径达到最大，该发明能够控制微透镜的深宽比变化，实现数值孔径控制，控制范围0-0.66，达到了单一材料数值孔径控制的最大限度，加工结果如图5所示。

(5)通过编写平移台控制程序实现大面积阵列加工，激光器重复频率为1KHz，因此加工一个微透镜需要0.1s。加工如图6所示的121个微透镜，仅需12.1s，此发明实现了大面积一致性高效加工。在实际产业化过程中，通过提高平移台移动速度和激光重复频率，可以更进一步提高加工效率。

实施例2

在玻璃类材料上实现双层数值孔径可变的微透镜同步加工。该实例的具体步骤如下：

(1)在实验中应用的透明材料样品厚度一般在1mm左右，贝塞尔光束具有长焦深的特性，能够贯穿样品上下，实现上表面和下表面的同时改性，在锥透镜前加入环形光阑可以将光分成两段，通过控制环形光阑的大小，可以实现同步控制上下两层改性深度控制，从而控制微透镜的深度。

(2)通过控制刻蚀时间，实现对微透镜直径的控制，刻蚀过程双层微透镜阵列成形，大大提高加工效率。

(3)微透镜加工过程中，双层微透镜上下两个对应的透镜一次成形，保证了两个微透镜的同轴度，具有很好的加工控制性，能够更好的应用到光场匀化中。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.空间整形激光辅助刻蚀加工数值孔径可变微透镜的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、搭建空间整形加工光路、准直锥透镜和缩束系统，调平平移台；

步骤二、利用光开光控制脉冲个数，利用衰减片调节激光加工能量，微调平移台，以确保在设定脉冲数和能量下，整形成的贝塞尔光束末端能够对材料改性；

步骤三、利用步骤二整形后得到的贝塞尔光束，定点叩击多个脉冲，快速实现样品改性，即根据需要实现任意深度的改性，以达到对微透镜深度的精确控制；

步骤四、改变氢氟酸刻蚀时间实现对微透镜直径的控制，在超声辅助下将步骤三得到的样品置于10％的氢氟酸溶液中刻蚀，在刻蚀完改性区域后，由于微透镜底部和样品表层同步刻蚀，后期刻蚀深度不变直径不断扩大，因此，刻蚀时间由直径决定；刻蚀后样品用超声清洗干净，保证无氢氟酸残留；

步骤五、对步骤四得到的数值孔径可变微透镜结果进行表征，得到微透镜的深度和半径尺寸，随着贝塞尔加工深度的加深，刻蚀后的直径和深度不断增加；利用公式1计算得到微透镜的曲率半径，利用公式2计算得到微透镜的焦距，利用公式3计算得到微透镜的数值孔径；通过改变聚焦深度，实现对微透镜深宽比的控制，当深宽比为1:1时，在同种材料上微透镜数值孔径达到最大，通过控制微透镜的深宽比变化，实现数值孔径控制，控制范围为0-0.66，达到了单一材料数值孔径控制的最大限度；

R＝(h²+r²)/2h (1)

f＝Rsin(θ)/sin[(n-n₀)θ] (2)

NA＝r/f (3)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过计算，得到微透镜数值孔径，绘制数值孔径与聚焦深度的关系对应曲线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括如下步骤：

步骤六、根据应用中对直径、深度、数值孔径的要求，重复步骤三、四和五；

步骤七、通过编写数控加工程序，联合控制平移台和光开光，能够实现大面积不同形状的微透镜阵列加工。

4.实现如权利要求1至3任意一项所述方法的装置，其特征在于：包括飞秒激光器、光开关装置、锥透镜、缩束系统、六自由度高精度平移台、成像系统和氢氟酸刻蚀装置；

飞秒激光器发出的激光通过光路准直，保证垂直于入射面并从入射面的中心穿过；通过光开关控制激光的通断，实现对加工脉冲个数控制；通过锥透镜整形光场，实现能量分布高深宽比贝塞尔光束产生；通过缩束系统缩束提高加工能量，保证能够达到材料的改性阈值；通过六自由度高精度平移台带动样品移动，实现焦深改变和阵列加工；通过成像系统对样品成像，实时观测加工过程；通过刻蚀装置对样品进行刻蚀，实现微透镜的最终成型。

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