CN114815066A - 基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术 - Google Patents

基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，包括以下步骤：S10将无芯光纤与普通单模光纤熔接后，将无芯光纤进行切割；S20通过飞秒激光诱导无芯光纤折射率改性；S30配置浓度为5％‑10％的氢氟酸溶液；S40将氢氟酸溶液倒入腐蚀装置后，通过水浴法将氢氟酸溶液加热到40℃‑50℃；S50无芯光纤待腐蚀端面通过腐蚀装置中的夹具固定后将其插入氢氟酸溶液中；S60对腐蚀装置中的氢氟酸溶液进行搅拌使氢氟酸溶液始终处于流动状态；S70清除烘干。与现有的技术相比，本发明具有如下优点：解决了现有传统微透镜阵列集成度不高的问题，采用全光纤式结构，及导光和传像于一体，可以使系统结构更加紧凑，成本低、便于集成。

Description

基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术
技术领域
本发明涉及光纤端面微透镜阵列制备技术领域，特别是涉及基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术。
背景技术
微透镜是一种常见的光学元件，尺寸一般在十微米到几个毫米。通过结构设计可对入射光进行光场调控，比如光束整形、扩散、光线均分、光学聚焦等，从而实现许多传统光学元器件难以实现的特殊功能。微透镜阵列是指由一系列的微小透镜按一定的方式排列而成的阵列。通过调整微透镜的形状、大小、焦距、占空比、排布结构方式等参数，可以实现特定功能，提高光学系统的集成度和性能。微透镜阵列的成功研制，对于微小光学器件、集成光子器件、光子芯片等都有重要意义，加快了光学元器件往微型化、轻量化和阵列化方向发展。此外，微透镜阵列具有折射率可调、阵列化等特点，成为集成光学与微小光学等多学科连接的纽带，将多个学科融合交叉，带来更加广泛的应用。
20世纪以来，随着科技的发展，研究热度的提升，微透镜的制备工艺得到了迅速发展。传统的肉眼可见的透镜一般是由机械加工的方法完成，随着光电微加工技术的发展，涌现出很多的微透镜制备技术。微透镜按形状分类可以分为凹面镜和凸透镜。微透镜阵列的制备方法一般可分为直接法和间接法。直接法通常是在材料处于热塑性状态或液态时，由于表面张力的影响而形成的，不需要制作特定的三维微结构掩模。其缺点是微透镜的几何形状由温度、润湿性、压力和加工时间等控制参数决定，精度控制十分困难。间接法通过模压成形和注射成型等复制技术来制作，需要模具辅助。间接法可以很好地控制微透镜阵列的形状，但过程比较复杂。目前较为常见微透镜阵列制备技术的有离子束刻蚀技术、灰度光刻技术、激光直写技术、光聚合技术、光刻技术、热熔回流技术和化学气相沉积法等。这些技术大多制备工艺复杂，制作成本较高，不适合在光纤端面制备微透镜阵列。
近年来F.Chen等人利用飞秒激光湿法刻蚀技术在二氧化硅玻璃中制备了大面积密集的矩形和六边形凹透镜整列。然而上述技术方案还存在以下缺点：一、基于二氧化硅玻璃芯片的微透镜阵列属于离散元件，集成度不高；二、在使用时需要激光通过空间光耦合的方式输入微透镜阵列，对光的损耗较大，不适合大规模使用；三、端面腐蚀不均匀，产品优良率低。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，包括以下步骤：
S10将无芯光纤与普通单模光纤熔接后，将无芯光纤进行切割；
S20通过飞秒激光诱导无芯光纤折射率改性；
S30配置浓度为5％-10％的氢氟酸溶液；
S40将氢氟酸溶液倒入腐蚀装置后，通过水浴法将氢氟酸溶液加热到40℃-50℃；
S50无芯光纤待腐蚀端面通过腐蚀装置中的夹具固定后将其插入氢氟酸溶液中；
S60对腐蚀装置中的氢氟酸溶液进行搅拌使氢氟酸溶液始终处于流动状态，使氢氟酸溶液的浓度分布均匀；
S70腐蚀完成后，先用去离子水清洗无芯光纤，再用酒精浸泡并超声震荡，确保微腔中的氢氟酸溶液被清除干净，最后将无芯光纤烘干。
进一步的，步骤S10中的无芯光纤切割位置为距离熔接点180μm-220μm。
进一步的，其特征在于，S20步骤包括：
S21将无芯光纤尾端竖直地放在三维电动位移平台上，将物镜聚焦在无芯光纤端面；
S22在加工软件中设置飞秒激光能量为M，每个点持续辐照时间为t，点间距为L，然后运行软件对无芯光纤进行自动加工。
进一步的，物镜为50倍，数值孔径0.75的物镜。
进一步的，腐蚀装置下端设有磁力搅拌器，S60步骤中通过在腐蚀装置中加入磁力珠，磁力珠通过磁力搅拌器对氢氟酸溶液搅拌。
进一步的，腐蚀装置中的氢氟酸溶液温度为43℃。
进一步的，无芯光纤在氢氟酸溶液中的腐蚀时间为60min-80min。
进一步的，S30步骤在通风柜中进行。
进一步的，S30步骤的氢氟酸溶液配置过程中加入酒精作为缓冲剂。
一种用于无芯光纤端面湿法刻蚀的腐蚀装置，包括壳体和磁力搅拌器，磁力搅拌器设于壳体下方与壳体固定连接，磁力搅拌器内设有磁力发生器，壳体内设有：
光纤夹具，光纤夹具下端开设有U形腐蚀槽，光纤待腐蚀端面插入U形腐蚀槽与壳体内的氢氟酸溶液接触；壳体和光纤夹具均采用聚四氟乙烯塑料板，可以耐氢氟酸腐蚀。
磁力珠，磁力珠设于壳体底部，磁力发生器可通过磁力珠对壳体内的氢氟酸溶液进行搅拌使氢氟酸溶液始终处于流动状态浓度分布均匀；
温度检测装置，温度检测装置设于壳体一侧，操作人员可通过温度检测装置读取氢氟酸溶液的实时温度。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
一、该基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术解决了现有传统微透镜阵列集成度不高的问题，采用全光纤式结构，及导光和传像于一体，可以使系统结构更加紧凑，成本低、便于集成。多根不同类型光纤微透镜阵列可并联集成，适用面更广。
二、解决了传统微透镜阵列耦合损耗大的问题，将透镜制备在光纤端面可以利用光纤导光特性，相比于玻璃板式的微透镜阵列，可以减小耦合损耗和传输损耗。
三、用于无芯光纤端面湿法刻蚀的腐蚀装置解决光纤端面腐蚀过程中腐蚀不均匀问题，光纤夹具可以保护光纤端面结构，避免夹具对腐蚀的影响，采用水浴加热腐蚀和磁力搅拌的方式可以进一步解决光纤端面腐蚀不均匀的问题。
四、通过该基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术可在光纤端面制备各种类别的微透镜阵列，可拓展性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
图1是本发明的光纤端面微透镜阵列腐蚀时间为70分钟时的电子显微镜图片。
图2是光纤端面微透镜阵列对光的汇聚情况。
图3是一种用于无芯光纤端面湿法刻蚀的腐蚀装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
飞秒激光湿法刻蚀技术原理如下：此技术是飞秒激光微加工技术和湿法刻蚀技术相结合。在加工前先要对样品进行微加工处理，然后利用湿法刻蚀技术完成后续加工。当飞秒激光能量接近材料烧蚀阈值时，在激光焦点的材料会发生微爆炸效果，造成的光致压力波会将熔融材料向外挤压，从而在爆炸中心形成空腔或者材料密度变小，从而使得材料被加工区域折射率急剧减小，这有利于氢氟酸溶液快速刻蚀。湿法刻蚀是常用于半导体底材料的微加工的一种技术。其主要机理是浸泡在刻蚀液中的晶体材料与刻蚀液发生化学反应，移除未被掩模的晶体材料。晶体材料的特点是原子结构排列规则，具有各向异性的物理化学性质。若要去除晶体表面材料，刻蚀液需要断裂材料分子的化学键。而从微观角度来看，不同晶体由不同的化学键组成，所需断裂的化学键也不一样。例如，单晶硅材料主要是靠断裂Si-Si键，而石英材料主要是断裂Si-O键。化学键键能的不同导致不同的刻蚀速率；对于同一种晶体材料，刻蚀速率受到原子密度的影响，这是因为原子密度影响化学键密度；键密度越高，晶面间作用力越强，则越难腐蚀，导致刻蚀速很慢。而飞秒激光预处理材料是改变材料的化学键密度，加快腐蚀速率。
湿法刻蚀过程一般分为五步：①溶液中的刻蚀分子的扩散；②刻蚀分子的吸附；③刻蚀分子与晶体材料的化学反应；④化学生成物的降解吸收；⑤降解后的产物扩散。
基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，包括以下步骤：
S10将无芯光纤与普通单模光纤熔接后，将无芯光纤进行切割；
S20通过飞秒激光诱导无芯光纤折射率改性；
S30配置浓度为5％-10％的氢氟酸溶液；本实施例中采用的是氢氟酸作为刻蚀剂，商业售卖质量分数为40％的氢氟酸溶液浓度太大，需要对其进行稀释，而氢氟酸可溶于去离子水。根据公式V1·C1＝V2·C2，其中V1和C1表示原液的体积和体积分数，V2和C2表示配制后的体积和体积分数。比如，需要配制40mL体积分数为8％的氢氟酸溶液，则需要8mL体积分数为40％的氢氟酸溶液加32mL的去离子水混合而成。根据公式可以配制不同比例的氢氟酸溶液。在配制过程中加入少量的酒精作为缓冲剂。
S40将氢氟酸溶液倒入腐蚀装置后，通过水浴法将氢氟酸溶液加热到40℃-50℃；
S50无芯光纤待腐蚀端面通过腐蚀装置中的夹具固定后将其插入氢氟酸溶液中；
S60对腐蚀装置中的氢氟酸溶液进行搅拌使氢氟酸溶液始终处于流动状态，使氢氟酸溶液的浓度分布均匀；
S70腐蚀完成后，先用去离子水清洗无芯光纤，再用酒精浸泡并超声震荡，确保微腔中的氢氟酸溶液被清除干净，最后将无芯光纤烘干。
优选的，步骤S10中的无芯光纤切割位置为距离熔接点180μm-220μm。
优选的，其特征在于，S20步骤包括：
S21将无芯光纤尾端竖直地放在三维电动位移平台上，将物镜聚焦在无芯光纤端面；
S22在加工软件中设置飞秒激光能量为M，每个点持续辐照时间为t，点间距为L，然后运行软件对无芯光纤进行自动加工。
优选的，物镜为50倍，数值孔径0.75的物镜。
优选的，腐蚀装置下端设有磁力搅拌器，S60步骤中通过在腐蚀装置中加入磁力珠，磁力珠通过磁力搅拌器对氢氟酸溶液搅拌。
优选的，腐蚀装置中的氢氟酸溶液温度为43℃。
优选的，无芯光纤在氢氟酸溶液中的腐蚀时间为60min-80min。
优选的，S30步骤在通风柜中进行。
光纤端面微透镜阵列腐蚀时间为70分钟时的电子显微镜图片，如图1所示，可以看出点点之间的壁变得非常薄，矩形透镜成型。有些类矩形的状的微透镜出现，其原因为，腐蚀过程中有磁力搅拌，氢氟酸溶液在流动，会带着光纤摆动，受到扰动后腐蚀不均匀，出现个别类矩形的微透镜。
为了检验光纤微透镜阵列效果，对其进行光的汇聚的现象的实验。将光纤的另一端接入氦氖激光，有微透镜阵列的一端放置在显微镜下观察，控制位移平台移动可以调节显微物镜与光纤端面之间的距离。首先将显微镜聚焦在光纤端面，此时如图2(a)所示，此时没有光的汇聚现象，显微镜焦点逐渐远离光纤端面，开始出现汇聚现象。当移动到达一定距离时，出现如图2(b)所示的一系列的点阵，放大后可以观察到这些点就是微透镜的焦点，此时为微透镜阵列的焦平面。继续移动，如图2(c)所示，这些点开始发散，说明已经离焦。
一种用于无芯光纤端面湿法刻蚀的腐蚀装置，该腐蚀装置解决光纤端面腐蚀过程中腐蚀不均匀问题，光纤夹具可以保护光纤端面结构，避免夹具对腐蚀的影响，采用水浴加热腐蚀和磁力搅拌的方式可以进一步解决光纤端面腐蚀不均匀的问题。其包括壳体和磁力搅拌器，磁力搅拌器设于壳体下方与壳体固定连接，磁力搅拌器内设有磁力发生器，壳体内设有：
光纤夹具，光纤夹具下端开设有U形腐蚀槽，光纤待腐蚀端面插入U形腐蚀槽与壳体内的氢氟酸溶液接触U形腐蚀槽结构可以避免夹具与待腐蚀结构接触，影响光纤腐蚀效果。在本实施例中，壳体和光纤夹具均采用聚四氟乙烯塑料板，可以耐氢氟酸腐蚀。
磁力珠，磁力珠设于壳体底部，磁力发生器可通过磁力珠对壳体内的氢氟酸溶液进行搅拌使氢氟酸溶液始终处于流动状态浓度分布均匀；
温度检测装置，温度检测装置设于壳体一侧，操作人员可通过温度检测装置读取氢氟酸溶液的实时温度。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
一、该基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术解决了现有传统微透镜阵列集成度不高的问题，采用全光纤式结构，及导光和传像于一体，可以使系统结构更加紧凑，成本低、便于集成。多根不同类型光纤微透镜阵列可并联集成，适用面更广。
二、解决了传统微透镜阵列耦合损耗大的问题，将透镜制备在光纤端面可以利用光纤导光特性，相比于玻璃板式的微透镜阵列，可以减小耦合损耗和传输损耗。
三、用于无芯光纤端面湿法刻蚀的腐蚀装置解决光纤端面腐蚀过程中腐蚀不均匀问题，光纤夹具可以保护光纤端面结构，避免夹具对腐蚀的影响，采用水浴加热腐蚀和磁力搅拌的方式可以进一步解决光纤端面腐蚀不均匀的问题。
四、通过该基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术可在光纤端面制备各种类别的微透镜阵列，可拓展性高。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，包括以下步骤：
S10将无芯光纤与普通单模光纤熔接后，将所述无芯光纤进行切割；
S20通过飞秒激光诱导所述无芯光纤折射率改性；
S30配置浓度为5％-10％的氢氟酸溶液；
S40将所述氢氟酸溶液倒入腐蚀装置后，将所述氢氟酸溶液加热到40℃-50℃；
S50所述无芯光纤待腐蚀端面通过所述腐蚀装置中的夹具固定后将其插入所述氢氟酸溶液中；
S60对所述腐蚀装置中的氢氟酸溶液进行搅拌使所述氢氟酸溶液始终处于流动状态，使所述氢氟酸溶液的浓度分布均匀；
S70腐蚀完成后，先用去离子水清洗所述无芯光纤，再用酒精浸泡并超声震荡，确保微腔中的所述氢氟酸溶液被清除干净，最后将所述无芯光纤烘干。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述步骤S10的所述无芯光纤切割位置为距离熔接点180μm-220μm。
3.根据权利要求1或2所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述S20步骤包括：
S21将所述无芯光纤尾端竖直地放在三维电动位移平台上，将物镜聚焦在无芯光纤端面；
S22在加工软件中设置飞秒激光能量为M，每个点持续辐照时间为t，点间距为L，然后运行软件对所述无芯光纤进行自动加工。
4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述物镜为50倍，数值孔径0.75的物镜。
5.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述腐蚀装置下端设有磁力搅拌器，所述S60步骤中通过在所述腐蚀装置中加入磁力珠，所述磁力珠通过所述磁力搅拌器对所述氢氟酸溶液搅拌。
6.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述腐蚀装置中的氢氟酸溶液温度为43℃。
7.根据权利要求1或6所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述无芯光纤在所述氢氟酸溶液中的腐蚀时间为60min-80min。
8.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述S30步骤在通风柜中进行。
9.根据权利要求1所述的基于飞秒激光辅助湿法刻蚀制备光纤端面微透镜阵列技术，其特征在于，所述S30步骤的所述氢氟酸溶液配置过程中加入酒精作为缓冲剂。
10.一种用于无芯光纤端面湿法刻蚀的腐蚀装置，其特征在于，包括壳体和磁力搅拌器，所述磁力搅拌器设于所述壳体下方与所述壳体固定连接，所述磁力搅拌器内设有磁力发生器，所述壳体内设有：
光纤夹具，所述光纤夹具下端开设有U形腐蚀槽，光纤待腐蚀端面插入所述U形腐蚀槽与所述壳体内的氢氟酸溶液接触；
磁力珠，所述磁力珠设于所述壳体底部，所述磁力发生器可通过所述磁力珠对所述壳体内的氢氟酸溶液进行搅拌使所述氢氟酸溶液始终处于流动状态浓度分布均匀；
温度检测装置，所述温度检测装置设于所述壳体一侧，操作人员可通过所述温度检测装置读取所述氢氟酸溶液的实时温度。
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