CN113740942B - 一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用 - Google Patents

一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用。所述微透镜阵列光栅的制备方法为采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。本发明采用微流控技术制作微透镜阵列光栅上，解决了传统工艺制作微透镜阵列光栅时存在的集成度不高以及工艺不可控等问题。本制备的微透镜阵列光栅元件，组合了聚焦和色散两种功能，相比传统元件，降低了元件的尺寸和成本；微透镜阵列光栅可以在同一个基片上集成不同尺寸的微透镜，使其同时具有不同的分光功能，提高了元件的集成度。

Description

一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用。
背景技术
光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，在诸如农业、天文、汽车、生物、化学、环境检测、食品、医学等领域中具有重要且广泛的应用。光谱仪中的分立光学元件，如弯曲的准直收集镜和典型的衍射光栅等，使光谱仪结构复杂化，增加了光谱仪的制作成本。
为了降低光谱仪中光学元件的尺寸和成本，期望通过将不同的光学功能组合到一个元件中，从而最小化光学元件的数量。在常规光谱仪系统中，两个主要的光学功能是聚焦和色散，可以通过在折射或反射光学元件上制造衍射表面，实现这两种功能的组合。诸如曲面光栅、光栅-菲涅耳透镜、和光栅-微透镜混合元件。其中，微透镜阵列光栅混合元件是通过将光栅结构集成在多组微小透镜上而形成，微透镜阵列光栅混合元件除了集成聚焦和色散的两个光学功能外，还具有可以在同一个元件上实现不同的分光效果，可大面积实现光束的分光等优点。
目前，在微透镜阵列元件或光栅元件的制作具有较多的加工方法。然而，将微透镜阵列与光栅结构结合，现有技术还未有良好的加工工艺。目前常见的加工工艺是将微透镜阵列和光栅结构进行拼接组合，然而这样加工工艺不可避免的存在两种光学元件间的匹配问题，并且其集成度也较低。此外，JunShi等人，提出了一种通过组合热熔、自组装和复制的方法来制作微透镜阵列光栅(J.Shi,Y.Huang,L.Peng,et al.,“Grating/microlensarrays fabricated by hot-melting,self-assembly and replication”,OpticalMaterials,2020,04:109733)，然而通过该种方法难以调控光栅线密度和微透镜尺寸，也限制了其制作的微透镜阵列光栅的应用。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用。通过采用微流控芯片技术将微透镜阵列与光栅结构结合，从而解决现有技术中制作微透镜阵列光栅时，存在的集成度不高以及工艺不可控等问题。进一步的，将制备的微透镜阵列光栅用于光谱仪中，可降低光谱仪的尺寸和成本。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种微透镜阵列光栅的制备方法：采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS(聚二甲基硅氧烷)光栅变形为微透镜阵列光栅。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述PDMS光栅的制备方法为：先制作原始光栅模板；将PDMS溶液一倒在原始光栅模板上，加热固化。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述PDMS溶液一为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为15～20:1。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述具有气孔阵列的微流控芯片包括顶层、中间微流道层以及下支撑层；所述顶层设有微流控出口、微流控入口以及气孔阵列；所述中间微流道层为PDMS微流道层。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述顶层和下支撑层为有机玻璃材质。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，不同阵列的气孔直径可以相同，也可以不同。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，具有气孔阵列的微流控芯片采用如下方法制备：
步骤1：取两片有机玻璃，采用激光打孔的方式在其中一片有机玻璃上刻出微流控出口、微流控入口以及气孔阵列后作为顶层；另一片有机玻璃作为下支撑层；
步骤2：采用CNC精密数控机床对有机玻璃加工，制得微流道模板；将PDMS溶液二倒在微流道模板上复制出图形，随后脱模得到PDMS微流道层；
步骤3：采用过氧离子轰击键合技术将顶层、PDMS微流道层和下支撑层永久键合。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述步骤2中PDMS溶液二为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为10:1。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅的具体方式为：
步骤S1：在具有气孔阵列的微流控芯片顶层的微流控出口、微流控入口上方键合PDMS块，并在PDMS块上设置出水管出口以及水管入口；所述水管入口与微流控入口连通，用于向微流控芯片内注水；所述水管出口与微流控出口连通，水管出口连接压力测试计，所述压力测试计用于控制水压；
步骤S2：将PDMS光栅与步骤S1连接后的微流控芯片进行键合；
步骤S3：通过水管入口向微流控芯片注入水，使用水压测试计控制水压，通过水压使PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，还包括将聚氨酯丙烯酸酯(PUA)溶液倒在微透镜阵列光栅上，紫外固化后得到PUA微透镜阵列光栅。
进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，还包括以PUA微透镜阵列光栅为模板，继续制作PDMS微透镜阵列光栅。
第二方面，本发明提供一种微透镜阵列光栅，采用上述制备方法制备。
第三方面，本发明提供上述微透镜阵列光栅或微透镜阵列光栅的制备方法在光学技术领域的应用，所述光学技术领域包括但不限于光谱仪。
本发明的有益效果为：
(一)本发明采用微流控技术制作微透镜阵列光栅，解决了传统工艺制作微透镜阵列光栅时存在的集成度不高以及工艺不可控等问题。
(二)本发明制备的微透镜阵列光栅元件，组合了聚焦和色散两种功能，相比传统元件，降低了元件的尺寸和成本。此外，本发明的微透镜阵列光栅可以在同一个基片上集成不同尺寸的微透镜，使其同时具有不同的分光功能，因此提高了元件的集成度。
(三)本发明在制备PDMS微透镜阵列光栅后，利用PUA溶液作为记录制备了PUA微透镜阵列光栅。PUA微透镜阵列光栅保存时间长、可重复利用，可作为模板继续进行微透镜阵列光栅的批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例制备的原始光栅模板结构示意图；
图2是本发明实施例制作PDMS光栅模板的过程示意图；
图3是本发明实施例制备的PDMS光栅模板结构示意图；
图4是本发明实施例中具有多孔阵列的微流控芯片拆分图，图4a为微流控芯片的顶层，图4b为微流控芯片的中间微流道层，图4c为微流控芯片的下支撑层；
图5是本发明实施例中键合后微流控芯片的结构示意图；
图6是本发明实施例中利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅的示意图；
图7是本发明实施例中以PDMS微透镜阵列光栅为模板，制备PUA微透镜曲面光栅的示意图。
附图标记：1-石英玻璃基底，2-光刻胶光栅，3-模具盒，4-PDMS溶液一，5-PDMS光栅模板，6-PDMS块，7-水管入口，8-水管出口，9-压力测试计，10-PDMS微透镜阵列光栅，11-PUA微透镜阵列光栅。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例所用PDMS为美国道康宁公司生产的sylgard 184型硅橡胶。
本发明实施例所用固化剂为本领域技术人员的常规选择、市售常见的固化剂即可，本发明不做特别限定。
实施例1
一种微透镜阵列光栅的制备方法：采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。具体包括如下步骤：
(一)制备PDMS光栅：先制作原始光栅模板；原始光栅模板的制备为本领域技术人员常规方法即可，包括但不限于全息光刻、电子束光刻离子刻蚀、湿法刻蚀等方法。本实施例以掩模版曝光法进行举例说明。
原始光栅模板的制备：
基底处理：取一片表面平整的石英玻璃作为石英玻璃基底1(本实施例的玻璃片厚度为2mm)，将石英玻璃基底1用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤20分钟除去水汽和残余丙酮。自然冷却后，放入灰化机中灰化一小时以增强其表面粘附力，防止后续显影过程脱胶；
配置光刻胶：本实施例使用的光刻胶型号是AZ5530，将光刻胶与环戊酮以体积比2:1的方式混合稀释，稀释后的光刻胶旋涂后的胶层较薄，有利于后续的曝光及显影。将稀释后的光刻胶均匀滴在石英玻璃基底1上后，以800转/分钟的转速匀胶10秒，紧接着1500转/分钟的转速匀胶40秒，此时光刻胶厚约1.6μm；随后将其置于90℃烘箱中15min，以去除多余溶剂。
掩模版曝光：本实施例中掩膜版是镀铬掩膜版周期为10μm，占空比为1:1。将掩膜版镀铬面贴紧光刻胶后，在紫外下曝光55秒，曝光后，将石英玻璃基底至于质量百分比为2.5‰NaOH溶液中显影，显影时长为1min；此处不能用过高浓度的氢氧化钠溶液，否则容易显影太快而脱胶。显影完成后将制得密度为100线/毫米、占空比为1:1、深度约为1.6μm的光刻胶光栅2，如图1所示。显影完成后用去离子水冲洗并氮气吹干，置于90℃烘箱中20min，除去水汽，防止后续制备PDMS光栅时产生水气泡。
如图2所示，将原始光栅模板置于模具盒3中，将PDMS溶液一4倒在原始光栅模板上，加热固化。其中所述PDMS溶液一为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为20:1；所述加热固化具体为在烘台上以45℃预热30min，再以60℃加热固化30min，最后以90℃加热固化1h。制备的PDMS光栅模板5如图3所示。本实施例PDMS溶液一中聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为20:1，相对于其他比例，弹性最佳，可变形程度最大。
(二)制备具有气孔阵列的微流控芯片：所述具有气孔阵列的微流控芯片包括顶层、中间微流道层以及下支撑层；所述顶层设有微流控出口、微流控入口以及气孔阵列；所述中间微流道层为PDMS微流道层；所述顶层和下支撑层为有机玻璃材质。
具有气孔阵列的微流控芯片采用如下方法制备：
步骤1：取两片有机玻璃，采用激光打孔的方式在其中一片有机玻璃上刻出微流控出口、微流控入口以及气孔阵列后作为顶层，如图4a所示；另一片有机玻璃作为下支撑层，如图4c所示；
步骤2：采用CNC精密数控机床对有机玻璃加工，制得微流道模板；将PDMS溶液二倒在微流道模板上复制出图形，随后脱模得到PDMS微流道层，如图4b所示；PDMS溶液二为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为10:1；
步骤3：采用过氧离子轰击键合技术将顶层、PDMS微流道层和下支撑层永久键合。键合后的具有气孔阵列的微流控芯片如图5所示。
(三)利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅：如图6所示：
步骤S1：在具有气孔阵列的微流控芯片顶层的微流控出口、微流控入口上方键合PDMS块6，并在PDMS块上设置水管入口7以及水管出口8；所述水管入口7与微流控入口连通，用于向微流控芯片内注水；所述水管出口8与微流控出口连通，水管出口8连接压力测试计9，所述压力测试计9用于控制水压；
步骤S2：将PDMS光栅与步骤S1的微流控芯片进行键合；对PDMS曲面光栅键合面和微流控芯片的顶层面进行氧离子轰击，增加表面能，然后进行对准、贴合、压重物；最后将其置于80℃的烘箱中加热2min；
步骤S3：通过水管入口向微流道芯片注入水，使用水压测试计控制水压，通过水压使PDMS光栅变形为PDMS微透镜阵列光栅。
实施例2
如图7所示，本实施例在实施例1制备得到的PDMS微透镜阵列光栅10的同时，采用PUA溶液制备PUA微透镜曲面光栅11，具体方式如下：
将PUA溶液倾倒在实施例1中的PDMS微透镜阵列光栅10上，待PUA完全覆盖光栅并摊平后，将其至于紫外热灯下逐步曝光，固化PUA。所述逐步曝光为曝光1min，停止1min，以利于散热，若采取持续曝光，会由于产生大量的热而形成气泡，导致表面不平整。紫外固化曝光时间整体为15min。曝光完成后，将PUA与PDMS分离，得到PUA微透镜曲面光栅11。
实施例3
本实施例以实施例2制备的PUA微透镜曲面光栅为模板，通过再次复制得到PDMS微透镜阵列光栅。具体方式如下：
(一)将实施例2中的PUA微透镜阵列光栅继续紫外曝光1小时，以消除PDMS在PUA模板上难以固化的问题。曝光1h后，将PUA微透镜阵列光栅放入玻璃皿内，在玻璃皿周边滴入三甲基氯硅烷，盖上玻璃皿，自然蒸发3min后，在PUA微透镜阵列光栅表面形成一层膜，微透镜阵列光栅表面成膜后便于后续的脱模处理。
(二)然后将PUA微透镜阵列光栅置于模具盒内，并将配置好并除去气泡的PDMS溶液(PDMS与固化剂以10:1配比混合)倾倒在PUA微透镜阵列光栅上。待PDMS溶液完全覆盖PUA微透镜阵列光栅且液面平整后，置于烘箱内以45℃预热30min，再以60℃加热固化30min，最后以90℃加热固化1h。自然冷却后，将固化的PDMS与PUA剥离。得到再复制的PDMS微透镜阵列光栅。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅；所述具有气孔阵列的微流控芯片包括顶层、中间微流道层以及下支撑层；所述顶层设有微流控出口、微流控入口以及气孔阵列；所述中间微流道层为PDMS微流道层；
具有气孔阵列的微流控芯片采用如下方法制备：
步骤1：取两片有机玻璃，采用激光打孔的方式在其中一片有机玻璃上刻出微流控出口、微流控入口以及气孔阵列后作为顶层；另一片有机玻璃作为下支撑层；
步骤2：采用CNC精密数控机床对有机玻璃加工，制得微流道模板；将PDMS溶液二倒在微流道模板上复制出图形，随后脱模得到PDMS微流道层；
步骤3：采用过氧离子轰击键合技术将顶层、PDMS微流道层和下支撑层永久键合；
所述PDMS光栅的制备方法为：先制作原始光栅模板；将PDMS溶液一倒在原始光栅模板上，加热固化；所述PDMS溶液一为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为15~20:1；
利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅的具体方式为：
步骤S1：在具有气孔阵列的微流控芯片顶层的微流控出口、微流控入口上方键合PDMS块，并在PDMS块上设置出水管出口以及水管入口；所述水管入口与微流控入口连通，用于向微流控芯片内注水；所述水管出口与微流控出口连通，水管出口连接压力测试计，所述压力测试计用于控制水压；
步骤S2：将PDMS光栅与步骤S1连接后的微流控芯片进行键合；
步骤S3：通过水管入口向微流控芯片注入水，使用水压测试计控制水压，通过水压使PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，所述PDMS溶液二为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为10:1。
3.根据权利要求2所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，还包括将PUA溶液倒在微透镜阵列光栅上，紫外固化后得到PUA微透镜阵列光栅。
4.根据权利要求3所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，还包括以PUA微透镜阵列光栅为模板，继续制作PDMS微透镜阵列光栅。
5.一种微透镜阵列光栅，其特征在于，采用权利要求1~4任意一项所述的微透镜阵列光栅的制备方法制备而成。
6.权利要求5所述的微透镜阵列光栅在光学技术领域中的应用。
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