CN113296175A - 一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，属于激光应用技术领域。本发明的目的是为了解决传统平面微透镜阵列只具备单一NA值，且加工方法效率低下、加工难度大的问题；该方法通过对高斯型飞秒激光空间整形得到多个贝塞尔光束，以此对玻璃样品进行改性，利用贝塞尔相位中不同锥底角产生的贝塞尔区域长度不同这一规律，在同一个样品上单次曝光即可实现不同的改性深度，之后利用氢氟酸对改性后的样品进行刻蚀，得到具有多个NA值、高表面质量的微透镜阵列。该方法兼顾高加工质量、高加工效率、高形貌可控性、加工后微透镜NA值调节范围大，满足微透镜阵列应用中对NA值的不同需求。

Description

一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法

技术领域

本发明涉及一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

微透镜阵列作为一种重要的微型化光学元件，由于其强大的成像和光场调节能力，在三维成像、蛋白质检测、光场均匀化、波前传感和微加工等方面得到了广泛的应用。然而传统的平面微透镜阵列中的微透镜只具备单一数值孔径(NA)，NA值的大小与成像景深往往成反比关系，因此在加工微透镜阵列时的NA值选择对成像而言至关重要。低NA值微透镜具有较大的成像景深，因此可在多个深度都能获得较清晰的图像，但与此同时可能会影响对深度估计的准确性；高NA值微透镜具有较高的空间分辨率，但其成像景深小，无法在多个深度获得较清晰的图像。具有多个NA值的微透镜阵列通过将不同的NA值微透镜结合在一起，有效解决了空间分辨率和大成像景深无法兼容的问题。

微透镜阵列的传统加工方法有机械磨削加工、热回流、喷墨打印、模型复刻、飞秒激光法等。机械磨削每个加工周期只能加工单个微透镜，对于加工微透镜阵列而言加工效率极低；热回流只能加工具有单一NA值的微透镜阵列，无法一次性满足多个NA值的需求；喷墨打印和模型复刻一般只针对聚合物微透镜进行加工，而聚合物在苛刻的条件(如高温、高压)下容易变形，极大地限制了实际应用。目前利用飞秒激光加工微透镜阵列的方法主要有两种，一种是采用飞秒激光直写加工出微透镜的轮廓，该方法能够加工任意形状、尺寸的微透镜阵列，但该方法的加工效率低，并不适用于阵列加工，且该方法加工的微透镜表面精度较低，严重限制了在实际中的应用；另一种是采用传统的飞秒激光辐照硬脆材料改性后湿法刻蚀形成微透镜，该方法的加工效率相比于第一种方法有了极大的提高，然而该方法无法一次性在同一个微透镜阵列中加工出多个NA值的微透镜。因此迫切需要一种加工效率高、加工表面质量好且具有多个NA值的微透镜阵列加工方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统平面微透镜阵列只具备单一NA值，且加工方法效率低下、加工难度大的问题，提供一种空间整形飞秒激光辅助湿法刻蚀加工具有多个NA值的微透镜阵列的方法；该方法通过对高斯型飞秒激光空间整形得到多个贝塞尔光束，以此对玻璃样品进行改性，利用贝塞尔相位中不同锥底角产生的贝塞尔区域长度不同这一规律，在同一个样品上单次曝光即可实现不同的改性深度，之后利用氢氟酸对改性后的样品进行刻蚀，得到具有多个NA值、高表面质量的微透镜阵列。该方法兼顾高加工质量、高加工效率、高形貌可控性、加工后微透镜NA值调节范围大，满足微透镜阵列应用中对NA值的不同需求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，具体步骤如下：

步骤一：以石英玻璃作为基底材料，根据不同贝塞尔光束之间的贝塞尔区域长度差，设计贝塞尔相位图，计算公式如下：

β＝arcsin(nsinα)-α (1)

其中β为出射角,α为相位图中的锥底角,n为相位图中锥透镜相位的折射率,这里取1.45进行计算，Z_max为进入缩束系统之前贝塞尔区域的长度,w₀为入射高斯型激光的束腰半径。

步骤二：为了滤除0级光对加工光束的干扰，在贝塞尔光束相位图的基础上叠加棱镜相位，使从SLM出射的加工光束与干扰光分离；

步骤三：搭建由飞秒激光系统、衰减片、机械开关、空间光调制器(SLM)、缩束系统和六自由度平移台等组成的加工光路；

步骤四：将步骤二中得到的叠加后的相位图加载到SLM中，高斯型激光入射到SLM的液晶面板生成贝塞尔光束，并经过缩束系统生成微贝塞尔光束，其长度按照下式进行计算：

其中，Γ为缩束系统的缩放倍数，f₁和f₂分别为平凸透镜和聚焦物镜的焦距，Z'_max为缩束后的微贝塞尔光束的长度；

步骤五：利用机械开关控制脉冲个数，利用衰减片调节入射激光能量，微调六自由度精密位移平台使样品的上表面与激光传播方向垂直，并使微贝塞尔光束末端接触样品的上表面对加工区域改性；

步骤六：将改性后的样品在室温条件下放入氢氟酸溶液中进行刻蚀，并加入超声振荡辅助使溶液与样品充分反应，通过控制刻蚀时间来控制微透镜的通光孔径大小；

一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的装置，包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、空间光调制器(SLM)、平凸透镜、分束镜、白光源、电荷耦合器件(CCD)、二向色镜、显微物镜、六自由度精密位移平台、计算机控制系统；

连接关系：飞秒激光系统、衰减片、机械开关、平凸透镜、分束镜、白光源、CCD、二向色镜、显微物镜同轴放置，SLM的液晶面板与光束成45°夹角，加工样品被放置在六自由度精密位移平台中心；

光路：飞秒激光系统产生高斯型飞秒激光后，经衰减片调整激光能量，利用计算机控制系统控制机械开关来调节辐照到样品表面的脉冲个数；调节后的激光光束经SLM调制生成贝塞尔光束，再通过缩束系统(平凸透镜+显微物镜)对光束缩束聚焦在位于六自由度精密位移平台中心的样品表面，其中二向色镜改变光束方向使其垂直入射到显微物镜中；在此过程中白光源产生的白光经过分束镜、二向色镜、显微物镜后照射在样品的加工区域，之后原路返回至分束镜，分束镜改变反射光传播方向入射到CCD中，以此实现对加工过程的实时监控。

有益效果

1.本发明通过对高斯型光束空间整形生成多个贝塞尔光束，其中调节贝塞尔相位中的锥底角可形成不同的贝塞尔区域长度，进而在样品上形成不同深度的改性区域，有效的控制刻蚀后微透镜形貌，得到具有多个NA值的微透镜阵列，加工方法灵活。

2.本发明采用空间整形的飞秒激光加工微透镜阵列的方法可以在石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、微晶玻璃、康宁玻璃、K9玻璃等透明硬脆材料上制备，应用范围广。

3.本发明方法在贝塞尔光束加工过程中形成均匀的改性区，且在湿法刻蚀中辅助超声振荡，使得刻蚀后的微透镜表面粗糙度低，实现微透镜阵列的高质量加工。

4.本发明方法由于可一次性加工N*N个微透镜的阵列，因此平均单个微透镜加工时间相比现有方法缩短了N*N倍。

5.本发明方法加工的微透镜可以控制NA值可根据需要从0.26到0.58变化，满足对不同NA值微透镜的应用需求。

6.本发明可在一定范围内实现微透镜的通光孔径与NA值独立，使低NA值微透镜也能具有大的通光孔径，提升了成像质量。

附图说明

图1为本发明中贝塞尔相位图与棱镜相位图叠加示意简图，其中图1(a)为具有四个贝塞尔相位的相位图，图1(b)为水平方向偏转70°的棱镜相位图，图1(c)为图1(a)与图1(b)叠加后生成的四个贝塞尔相位图。

图2为本发明一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法的光路搭建示意简图。

图3为本发明在石英玻璃上改性后利用HF溶液刻蚀的示意简图。

图4(a)为样品改性后刻蚀前的扫描电子显微镜(SEM)表征结果；图4(b)为样品刻蚀后的激光共聚焦表征结果；图4(c)为微透镜阵列中每个微透镜的轮廓与相应的NA值。

图5(a)为石英玻璃刻蚀20小时后所得微透镜的通光孔径、高度与锥底角的关系；图5(b)为所得微透镜的焦距、NA值与锥底角的关系。

图6(a)为样品刻蚀后形成的相同通光孔径下具有多个NA值的微透镜阵列加工的激光共聚焦表征结果；图6(b)为微透镜阵列中每个微透镜的轮廓与相应的NA值。

其中，1-飞秒激光系统、2-衰减片、3-机械开关、4-SLM、5-平凸透镜、6-分束镜、7-白光源、8-CCD、9-二向色镜、10-显微物镜、11-样品、12-六自由度精密位移平台、13-计算机控制系统。

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

实现一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，包括如下步骤：

(1)如附图1所示，根据不同贝塞尔光束之间的贝塞尔区域长度差设计相位图，设计四个贝塞尔相位，如附图1(a)所示，锥底角分别定义α_i＝2.352°,α_ii＝2.253°,α_iii＝2.176°,α_iv＝2.088°，每个贝塞尔相位的直径均为4.32mm。根据公式(1)和公式(2)计算得到每个贝塞尔区域的长度分别为116.80mm,121.94mm,126.27mm,131.60mm.为了滤除0级光和SLM 4液晶面板反射光对加工结果的影响，设计水平方向70°的棱镜相位，如附图1(b)所示，并将其与四个贝塞尔相位叠加，得到如附图1(c)所示的贝塞尔光束相位。

(2)搭建空间整形加工光路，如附图2所示，飞秒激光系统1产生波长为800nm，脉宽50fs，重频1kHz的高斯型激光，经过衰减片2调节激光入射到SLM 4液晶面板上的功率，通过计算机系统13控制机械开关3的通断。高斯型激光入射到SLM 4后得贝塞尔光束，贝塞尔光束垂直入射到由平凸透镜5(f₁＝150mm)和显微物镜10(20×，NA＝0.45，f₂＝9mm)组成的缩束系统中，根据公式(3)可得缩放倍数为16.67。其中二向色镜9用于反射800nm激光改变光束传播方向同时透射白光源7发出的照明光，微调六自由度精密位移平台12，使样品石英玻璃11的上表面与激光传播方向垂直。在此过程中，通过白光源7发出的白光经过分束镜6、二向色镜9、显微物镜10照射在样品11的加工区域，并沿原路返回至分束镜6，分束镜6改变返回白光传播方向至CCD 8中来实时观测样品的加工情况。

(3)将(1)中得到的贝塞尔相位图加载到SLM 4中，高斯型飞秒激光入射到SLM 4的液晶面板上，经SLM 4相位调制后的出射光为四个贝塞尔光束，根据公式(4)计算，经过缩束系统在长度方向上缩束277.89倍，因此生成四个微贝塞尔光束的长度分别为420.31μm,438.81μm,454.39μm,473.57μm,

(4)移动六自由度精密位移平台12，使样品11上表面能够与微贝塞尔光束i的末端接触，固定此时平移台的Z值。

(5)通过衰减片2控制入射激光功率为3mW，通过控制机械开关3的通断，使每次曝光时间为0.5s，即每次加工沉积500个脉冲，将改性后的样品在室温条件下放入10％HF溶液中，并辅助超声振荡对改性后的样品刻蚀20小时，如附图3所示。刻蚀完成后将样品放入蒸馏水中超声振荡10min以清除表面残留的HF。

(6)使用SEM对刻蚀前的结果进行表征，结果如附图4(a)所示，使用激光共聚焦显微镜对刻蚀后的结果进行表征，结果如附图4(b)所示，刻蚀后的每个微透镜的轮廓如附图4(c)所示，利用公式(5)、公式(6)、公式(7)计算，四个微透镜的NA值分别为0.26，0.39，0.49，0.58.

R＝(h²+r²)/2h (5)

|f|＝Rsin(θ)/sin[(n-1)θ] (6)

sin(θ)＝r/R (7)

NA＝r/f (8)

其中，R为微透镜轮廓的曲率半径，h为微透镜顶点距表面的高度，r为通光孔径的一半，f为微透镜焦距，θ为微透镜轮廓的半中心角，n为石英玻璃的折射率，在此取1.45。

最终，一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法在石英玻璃上高效地制备出具有多个NA值、表面质量好的微透镜阵列结构。

实施例2

一种在相同通光孔径下具有多个数值孔径的微透镜阵列的制备方法同实施例1；本实例中设计具有四个通光孔径尺寸均为180μm(允许±1μm的误差)，NA值分别为0.47、0.51、0.58、0.63的微透镜阵列，样品材料为石英玻璃。

根据公式(8)计算可得，四个微透镜的焦距f分别为191.5μm、176.5μm、155.2μm、142.9μm，如附图5(b)所示。联立公式(5)、公式(6)、公式(7)计算得到四个微透镜的高度h分别为53.5μm、59.8μm、72.5μm、83.4μm，根据以上数据，在附图5(a)中查找得到与此相对应的锥底角分别为2.30°、2.27°、2.19°、2.09°。最终经过20小时的刻蚀，形成的微透镜阵列如附图6(a)所示，其轮廓图如附图6(b)所示，根据激光共聚焦的测试结果，计算出四个微透镜的NA值分别为0.4661、0.5056、0.5751、0.6250，四舍五入保留两位小数后NA值分别为0.47、0.51、0.58、0.63。

最终，一种在相同通光孔径下具有多个数值孔径的微透镜阵列的制备方法在石英玻璃上成功制备出具有多个NA值的微透镜阵列结构。

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 (2)

1.一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：以石英玻璃作为基底材料，根据不同贝塞尔光束之间的贝塞尔区域长度差，设计贝塞尔相位图，计算公式如下：

β＝arcsin(nsinα)-α (1)

其中β为出射角,α为相位图中的锥底角,n为相位图中锥透镜相位的折射率,这里取1.45进行计算，Z_max为进入缩束系统之前贝塞尔区域的长度,w₀为入射高斯型激光的束腰半径；

步骤二：为了滤除0级光对加工光束的干扰，在贝塞尔光束相位图的基础上叠加棱镜相位，使从SLM出射的加工光束与干扰光分离；

步骤三：搭建由飞秒激光系统、衰减片、机械开关、空间光调制器(SLM)、缩束系统和六自由度平移台等组成的加工光路；

步骤四：将步骤二中得到的叠加后的相位图加载到SLM中，高斯型激光入射到SLM的液晶面板生成贝塞尔光束，并经过缩束系统生成微贝塞尔光束，其长度按照下式进行计算：

其中，Γ为缩束系统的缩放倍数，f₁和f₂分别为平凸透镜和聚焦物镜的焦距，Z'_max为缩束后的微贝塞尔光束的长度；

步骤五：利用机械开关控制脉冲个数，利用衰减片调节入射激光能量，微调六自由度精密位移平台使样品的上表面与激光传播方向垂直，并使微贝塞尔光束末端接触样品的上表面对加工区域改性；

步骤六：将改性后的样品在室温条件下放入氢氟酸溶液中进行刻蚀，并加入超声振荡辅助使溶液与样品充分反应，通过控制刻蚀时间来控制微透镜的通光孔径大小。

2.一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的装置，其特征在于：包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、空间光调制器(SLM)、平凸透镜、分束镜、白光源、电荷耦合器件(CCD)、二向色镜、显微物镜、六自由度精密位移平台、计算机控制系统；

连接关系：飞秒激光系统、衰减片、机械开关、平凸透镜、分束镜、白光源、CCD、二向色镜、显微物镜同轴放置，SLM的液晶面板与光束成45°夹角，加工样品被放置在六自由度精密位移平台中心；

光路：飞秒激光系统产生高斯型飞秒激光后，经衰减片调整激光能量，利用计算机控制系统控制机械开关来调节辐照到样品表面的脉冲个数；调节后的激光光束经SLM调制生成贝塞尔光束，再通过缩束系统(平凸透镜+显微物镜)对光束缩束聚焦在位于六自由度精密位移平台中心的样品表面，其中二向色镜改变光束方向使其垂直入射到显微物镜中；在此过程中白光源产生的白光经过分束镜、二向色镜、显微物镜后照射在样品的加工区域，之后原路返回至分束镜，分束镜改变反射光传播方向入射到CCD中，以此实现对加工过程的实时监控。

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