CN116381828A - 一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法，包括：清洗石英基片；将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；将混合溶液旋涂于石英基片上形成PMMA透明膜层；搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；利用聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；利用电加热台对棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。本发明具有制造工艺简便高效、无需相位掩模板、制造成本低和实验重复性好等优点，同时确保较高的透光性。
Description
技术领域
本发明属于激光微纳制造以及微纳光学技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法。
背景技术
折射型微透镜阵列现如今已广泛应用于微纳光学领域，由于其具有质量小、体积小等特点，透镜微小化以及阵列化已成为集成微光学发展的重要趋势。
目前更多的是利用传统光刻胶热回流方法制作微透镜阵列，光刻胶热回流法具体可分为以下步骤：1.基底上的光刻胶在掩模板的遮蔽下进行曝光；2.对曝光后的胶体进行显影和清洗剥离；3.将基底放置在加热平台上使光刻胶热熔成型。这种方法由于工艺相对简单，制造成本较低，易于复制等优点而被广泛应用于微透镜阵列的制作过程中。
但是，在曝光过程中，由于光的衍射效应，需要精确控制掩模板与光刻胶之间的距离，同时实现完全对准才能确保较高的刻蚀分辨率；此外掩模板的制作过程较复杂，制作成本高，机械接触容易损伤掩模板，并且一种掩模板只能对应一种形状，这就大幅降低了设计与制造过程中的自由度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，包括以下步骤：
清洗石英基片；
将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；
将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层；
搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；
利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；
利用电加热台对所述棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。
在本发明的一个实施例中，将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液，包括：
将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液，配置成体积分数为25％的混合溶液。
在本发明的一个实施例中，将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层，包括：
使用台式匀胶机，将所述石英基片吸附于台式匀胶机的旋转台上，设置转速，旋涂完成使用热风枪固化形成PMMA透明膜层；其中，慢速为600转/分钟，持续15秒；快速为900转/分钟，持续5秒。
在本发明的一个实施例中，搭建飞秒激光加工光路，包括：
飞秒激光器输出飞秒激光，经过半波片、偏振分光棱镜后通过两块平面反射镜进入快门孔径内，打开快门使飞秒激光平行进入显微镜的通光孔内，在显微镜内飞秒激光通过物镜聚焦在电控三维平移台上进行加工；其中，所述快门、所述电控三维平移台通过与计算机连接控制激光曝光时间与加工路径，激光加工功率通过旋转所述半波片来控制。
在本发明的一个实施例中，所述飞秒激光器输出的飞秒激光中心波长为1030nm，重复频率为1MHz，脉冲宽度为220fs，平均输出功率为1W，单脉冲能量为1μJ。
在本发明的一个实施例中，利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构，包括：
将所述PMMA透明膜层固定在所述电控三维平移台上，通过所述显微镜观察所述PMMA透明膜层的表面形貌以及膜层厚度，微调所述电控三维平移台的高度，使飞秒激光聚焦在所述PMMA透明膜层表面，打开快门，移动所述电控三维平移台，刻写形成棱柱结构。
在本发明的一个实施例中，每块所述平面反射镜为中心波长为1030nm的高反镜，其反射率大于99％。
在本发明的一个实施例中，所述物镜为镀红外高透膜的50倍显微物镜，其数值孔径为0.65，1030nm波长处透过率大于98％。
在本发明的一个实施例中，所述石英基片尺寸为7.5×7.5×1.5mm3。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列，所述微透镜阵列利用上述任一所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法制作而成。
本发明的有益效果：
本发明提出的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，是一种新型的减材剥离方式实现微透镜阵列的制作工艺，具体地：清洗石英基片；将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；将混合溶液旋涂于石英基片上形成PMMA透明膜层；搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；利用聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；利用电加热台对棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。可见，本发明通过对聚甲基丙烯酸甲酯材料进溶解、旋涂、固化、激光刻蚀、热熔回流以及冷却等工艺来实现微透镜阵列的有效控制与制作，该制作工艺可以在石英基片上灵活地制造出微透镜阵列结构，进而实现对光斑的聚焦以及整形；通过计算机控制快门和电控三维平移台，利用飞秒激光直写的方式代替相位掩模板完成微透镜阵列的制作，在保证刻蚀精度的同时大幅降低了制作成本。总的来说，本发明具有制造工艺简便高效、无需相位掩模板、制造成本低和实验重复性好等优点，同时确保较高的透光性。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的石英基片上旋涂的PMMA透明膜层的示意图；
图3是本发明实施例提供的搭建的飞秒激光加工光路示意图；
图4是本发明实施例提供的飞秒激光刻蚀过程示意图；
图5是本发明实施例提供的PMMA材料热熔前后侧面尺寸形貌的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的飞秒激光刻蚀后PMMA材料棱柱阵列正视图；
图7(a)～图7(b)是本发明实施例提供的微透镜阵列正视和侧视图；
图8是本发明实施例提供的微透镜阵列焦点处光斑的示意图；
图9是本发明实施例提供的微透镜阵列匀光效果的示意图。
附图标记说明：
1-1为飞秒激光器；1-2为半波片；1-3为偏振分光棱镜；1-4为挡光板；1-5为第一块平面反射镜；1-6为第二块平面反射镜；1-7为快门；1-8为显微镜；1-9为电控三维平移台；1-10为计算机；2-1为物镜；2-2为PMMA透明膜层；2-3为石英基片；3-1为PMMA材料棱柱结构；3-2为PMMA材料凸透镜结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
经发明人研究发现，使用飞秒激光加工刻蚀，由于超短脉冲持续时间以及超高的峰值功率等特点，是真正意义上的“冷加工”。飞秒激光通过紧聚焦在加工材料表面，使辐射区域材料吸收光子能量瞬间气化，可以快速完成飞秒激光减材剥离。同时，经发明人研究发现，若采用飞秒激光棱柱结构刻蚀方案，其制备效率大幅提升，能够快速在大面积区域制备出占空比较高棱柱阵列，结合热熔回流工艺使棱柱结构发生高温形变，最终可以制备出分布广泛、紧密排列的微透镜阵列。基于这样的研究发现，请参见图1，本发明实施例提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，具体包括以下步骤：
S10、清洗石英基片2-3。
本发明实施例在制作前，首先对石英基片2-3进行清洗，去除表面杂质等，具体地：将石英基片2-3分别放在蒸馏水、无水乙醇、丙酮溶液中各超声清洗10分钟，最后取出用热风枪吹干放置在干燥箱中备用。
优选地，石英基片尺寸为7.5×7.5×1.5mm3。
S20、将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液。
本发明实施例将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒溶解于甲苯溶液，配置成体积分数为25％的混合溶液。
S30、将混合溶液旋涂于石英基片2-3上形成PMMA透明膜层2-2。
本发明实施例使用比如KW-4A型台式匀胶机，将石英基片2-3吸附在台式匀胶机的旋转台上，设置转速，旋涂完成后使用热风枪风干表面固化形成平均厚度为25μm的PMMA透明膜层2-2，如图2所示。其中，慢速为600转/分钟，持续15秒将混合溶液均匀摊开；快速为900转/分钟，持续5秒将混合溶液厚度旋涂至30μm。
S40、搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光。
请参见图3，本发明实施例搭建的飞秒激光加工光路，包括：飞秒激光器1-1输出飞秒激光，经过半波片1-2、偏振分光棱镜1-3后通过两块平面反射镜，即第一块平面反射镜1-5和第二块平面反射镜1-6，进入快门1-7孔径内，打开快门1-7使飞秒激光平行进入显微镜1-8的通光孔内，在显微镜1-8内飞秒激光通过物镜2-1聚焦在电控三维平移台1-9上进行加工；其中，快门1-7、电控三维平移台1-9通过与计算机1-10连接控制激光曝光时间与加工路径，激光加工功率通过旋转半波片1-2来控制；挡光板1-4放置在偏振分光棱镜1-3的垂直偏振光路中，用于遮挡调节激光加工功率时的一部分偏振光。
优选地，第一块平面反射镜1-5和第二块平面反射镜1-6均为中心波长为1030nm的高反镜，其反射率大于99％。
优选地，物镜2-1为镀红外高透膜的50倍显微物镜，其数0值孔径为0.65，1030nm波长处透过率大于98％。
优选地，飞秒激光器1-1输出的飞秒激光中心波长为1030nm，重复频率为1MHz，脉冲宽度为220fs，平均输出功率为1W，单脉冲能量为1μJ。
S50、利用聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层2-2进行刻写形成棱柱结构。
本发明实施例利用图2所示飞秒激光加工光路输出的聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层2-2进行刻写形成棱柱结构，包括：将PMMA透明膜层2-2固定在电控三维平移台1-9上，通过显微镜1-8观察PMMA透明膜层2-2的表面形貌以及膜层厚度，微调电控三维平移台1-9的高度，使飞秒激光聚焦在PMMA透明膜层2-2表面，打开快门1-7，移动电控三维平移台1-9，刻写形成棱柱结构。具体地比如：
如图4所示，将S30形成的PMMA透明膜层2-2固定在电控三维平移台1-9上，微调电控三维平移台1-9高度直至使用50倍加工物镜2-1能够观察到最清晰的像，此时飞秒激光恰好聚焦在PMMA透明膜层2-2表面。旋转半波片1-2使飞秒激光加工的平均功率为900mW，同时考虑加工物镜2-1的景深以及PMMA透明膜层2-2表面的平整度，将平电控三维平移台1-9横、纵向移动距离设置为1mm，移动速度设置为500μm/s，刻写周期设置为100μm，电控三维平移台1-9在每次完成1mm长度移动后向上递进10μm，使飞秒激光聚焦平面向膜层内移动10μm，此时再进行横向或纵向移动，整个过程重复3次，确保飞秒激光刻写深度为30μm。在完成刻写后，如图5所示热熔前结构，在石英基片2-3上会形成整齐排列的顶面边长a为70μm，底面边长b为80μm的为PMMA材料棱柱结构3-1，为PMMA材料棱柱结构3-1的平均高c为22μm。通过显微镜1-8可以观察到如图6所示的棱柱结构正视图，图6中数字100只是示意尺寸比例(单位)，具体数据根据实际情况显示，
S60、利用电加热台对棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。
本发明实施例通过电加热台进行热熔回流，PMMA熔点在150℃，则首先将具有棱柱结构的石英基片2-3按照石英基片2-3向下、PMMA透明膜层2-2向上的方式平放在电热加热台上，然后将电加热台的温度设置为150℃。当实际温度到达设定温度时，加热开始。在加热的过程中实时观察棱柱结构的受热形变情况，以免因为加热时间过长或加热温度变化造成棱柱结构粘连。将棱柱结构阵列放置在150℃的电加热台上加热30min，室温下放置自然冷却后得到PMMA材料凸透镜结构3-2，即微透镜阵列，如图5所示热熔后结构，在石英基片2-3上会刻蚀形成PMMA材料凸透镜结构3-2，PMMA材料凸透镜结构3-2的高度t为18μm，底面直径d为85μm，球面半径r约为60μm。
以上述制作过程为例，本发明实施例利用飞秒激光直写方式对石英基片2-3上旋涂的PMMA透明膜层2-2进行飞秒激光刻蚀，结合热熔回流法制备，并通过显微镜1-8可以观察到如图7(a)～图7(b)所示半球曲率良好的微透镜阵列，即PMMA材料凸透镜结构3-2，图7(a)为微透镜阵列的正视图，图7(b)为微透镜阵列的侧视图，图7(a)～图7(b)中数字100、25只是示意尺寸比例(单位)，具体数据根据实际情况显示，比如制作的微透镜阵列中每个微透镜的底面直径为85μm，高度为18μm，球面半径为60μm。理论计算得到微透镜阵列平均焦距为120.76μm，通过可见光透射之后测量本发明实施例制备的微透镜阵列的实际平均焦距为119.17μm，这基本上达到了理论设计要求。由此可见，通过对PMMA颗粒进行溶解、旋涂、固化、飞秒激光刻蚀、热熔回流以及冷却等工艺制备的微透镜阵列具有小型化、微型化、制造工艺简便高效、无需相位掩模板、制造成本低和实验重复性好等特点，并最终达到较好的光斑聚焦以及整形效果，如图8和图9所示。
综上所述，本发明实施例提出的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，是一种新型的减材剥离方式实现微透镜阵列的制作工艺，具体地：清洗石英基片2-3；将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；将混合溶液旋涂于石英基片2-3上形成PMMA透明膜层2-2；搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；利用聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层2-2进行刻写形成棱柱结构；利用电加热台对棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。可见，本发明实施例通过对聚甲基丙烯酸甲酯材料进溶解、旋涂、固化、飞秒激光刻蚀、热熔回流以及冷却等工艺来实现微透镜阵列的有效控制与制作，该制作工艺可以在石英基片2-3上灵活地制造出微透镜阵列结构，进而实现对光斑的聚焦以及整形；通过计算机1-10控制快门1-7和电控三维平移台1-9，利用飞秒激光直写的方式代替相位掩模板完成微透镜阵列的制作，在保证刻蚀精度的同时大幅降低了制作成本。总的来说，本发明实施例具有制造工艺简便高效、无需相位掩模板、制造成本低和实验重复性好等优点，同时确保较高的透光性。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列，该微透镜阵列利用上述基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法制作而成。
对于结构实施例而言，由于其基本相近于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看说明书及其附图，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
清洗石英基片；
将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；
将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层；
搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；
利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；
利用电加热台对所述棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液，包括：
将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液，配置成体积分数为25％的混合溶液。
3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层，包括：
使用台式匀胶机，将所述石英基片吸附于台式匀胶机的旋转台上，设置转速，旋涂完成使用热风枪固化形成PMMA透明膜层；其中，慢速为600转/分钟，持续15秒；快速为900转/分钟，持续5秒。
4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，搭建飞秒激光加工光路，包括：
飞秒激光器输出飞秒激光，经过半波片、偏振分光棱镜后通过两块平面反射镜进入快门孔径内，打开快门使飞秒激光平行进入显微镜的通光孔内，在显微镜内飞秒激光通过物镜聚焦在电控三维平移台上进行加工；其中，所述快门、所述电控三维平移台通过与计算机连接控制激光曝光时间与加工路径，激光加工功率通过旋转所述半波片来控制。
5.根据权利要求4所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，所述飞秒激光器输出的飞秒激光中心波长为1030nm，重复频率为1MHz，脉冲宽度为220fs，平均输出功率为1W，单脉冲能量为1μJ。
6.根据权利要求4所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构，包括：
将所述PMMA透明膜层固定在所述电控三维平移台上，通过所述显微镜观察所述PMMA透明膜层的表面形貌以及膜层厚度，微调所述电控三维平移台的高度，使飞秒激光聚焦在所述PMMA透明膜层表面，打开快门，移动所述电控三维平移台，刻写形成棱柱结构。
7.根据权利要求4所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，每块所述平面反射镜为中心波长为1030nm的高反镜，其反射率大于99％。
8.根据权利要求4所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，所述物镜为镀红外高透膜的50倍显微物镜，其数值孔径为0.65，1030nm波长处透过率大于98％。
9.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，所述石英基片尺寸为7.5×7.5×1.5mm3。
10.一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜阵列利用权利要求1～9任一所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法制作而成。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310179129.2A CN116381828A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310179129.2A CN116381828A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116381828A true CN116381828A (zh) | 2023-07-04 |
Family
ID=86972113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310179129.2A Pending CN116381828A (zh) | 2023-02-27 | 2023-02-27 | 一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法 |
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|---|---|
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2023
- 2023-02-27 CN CN202310179129.2A patent/CN116381828A/zh active Pending
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