WO2020119469A1 - 一种曲面光栅的加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种曲面光栅的加工装置及加工方法，通过制作PDMS软模板，将PDMS软模板设置在压印腔体（2）中，通过对PDMS软模板上下的隔腔（3、4）的气压进行精确控制，利用上下压差实现PDMS软模板压印形成曲面光栅，同时通过上下腔压力差、模板基底距离、基底倾斜角度等多工艺参数调控方法，从而可实现曲面光栅的高效精确制作。

Description

一种曲面光栅的加工装置及加工方法 技术领域

本发明涉及一种光栅的加工装置及加工方法，尤其涉及一种曲面光栅的加工装置及加工方法。

背景技术

光栅是光谱仪器的核心元件。根据光栅基底的面型分类，可以分为平面光栅和曲面光栅，典型的曲面光栅有凹面光栅、凸面光栅和柱面光栅等。与普通平面光栅相比，曲面光栅集成了光栅的分光特性和曲面光学元件的聚焦特性。利用曲面光栅取代平面光栅和曲面透镜/反射镜的光路组合，可减少光谱仪器中的元件数量，从而简化光路，提高仪器的集成度和稳定性。因此，曲面光栅在微型光谱仪和成像光谱仪中具有不可或缺的作用。

传统的平面光栅都是等间距的，其制作工艺已经相当成熟。而对于曲面光栅而言，其光栅刻线间距往往需要按一定规律变化，从而达到像差校正的目的，但这也加大了曲面光栅制作的难度。

针对曲面光栅的制作工艺，现有的主要方法有机械刻划法、直写法和全息法，但这些方法均存在效率低、成本高等缺点。

机械刻划法就是在精密机床控制下，利用金刚石刀具在基底上加工出光栅刻线。机械刻划法依赖于高精度的设备和苛刻的工作环境，加工效率很低，成本高昂，只适合于加工母版光栅。而在曲面基底上加工变间距的光栅，无疑给刻划机的运动控制系统提出了更高的要求。

直写技术包括激光直写、电子束直写、聚焦离子束直写等，即利用激光束、电子束或者离子束对相应的抗蚀剂进行扫描曝光，从而获得光栅微纳结构。通过增加基片工作台的自由度数，可以实现曲面光栅的制作。直写技术能达到很高的制备精度，但需要复杂昂贵的设备，加工效率低，一般也只能用于高精度光栅掩模板之类的制备，难以应用于批量的加工生产中。

全息法是通过两束相干光在曲面基底的光刻胶中形成干涉场，曝光显影后可得到光刻胶光栅，再通过离子束刻蚀可将光栅结构转移到曲面基底。全息法的曝光显影工艺较为便捷高效，通过调控干涉场易于实现变间距，但是刻蚀工艺仍然较为耗时和昂贵。

现有技术CN101221358A公开了一种基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工方法，该方案提出了一种利用柔性模板，将微纳图案转移到曲面基底上的思路，具有效率高、成本低的优点。然而，该方案只是粗略的概念方案，并没有针对曲面变间距光栅的制作进行阐述，也没有从器件设计、工艺控制以及加工装置等角度进行综合分析和深入探究，真正解决曲面光栅制作中的核心技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种曲面光栅的制作装置和制作方法，解决现有曲面光栅制作方法中存在的制作工艺复杂、加工周期长，加工设备昂贵等问题。本发明利用紫外纳米压印技术，采用聚二甲基硅氧烷软模板(PDMS)，借助气压辅助施压技术实现曲面光栅高效率、低成本的制作。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种曲面光栅加工装置，包括压印腔体、控制气路和紫外光源，所述压印腔体中部设置有PDMS软模板，PDMS软模板将压印腔体分隔为上下两个隔腔，控制气路分别与上下两个隔腔相连并精确控制两个隔腔内的气压，下隔腔的底部中央设置有基底夹具，用于加工曲面光栅的曲面基底设置在基底夹具上表面，基底夹具上表面的高度及其与水平面的倾斜角度可调。

所述压印腔体中部设置有PDMS软模板安装位，PDMS软模板密封设置在PDMS软模板安装位上。

所述控制气路包括上下隔腔相通的气管及设置在气管上的真空泵、电磁阀和气压计，通过电磁阀和气压计精确控制上下两个隔腔内的气压。

所述紫外光源设置在上隔腔的上部中央，所述压印腔体设置在紫外防护箱中。

一种利用上述装置加工曲面光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)PDMS软模板制备；

2)PDMS软模板安装及预处理；

3)压印；

4)脱模。

更进一步，所述PDMS软模板制备包括如下步骤：

1a)将商用平面等间距光栅嵌入光栅夹具中作为复制模板；

1b)在该复制模板上多次旋涂固化PDMS预聚物和交联剂的混合物，并在边缘嵌入一个薄的圆铁环，固化后得到PDMS软模板。

更进一步，PDMS软模板安装及预处理是指将PDMS软模板安装上述的曲面光栅加工装置中的压印腔体中，同时对曲面基底进行紫外固化胶的旋涂和预固化，并且调整基底夹具的上表面的高度及其与水平面的倾斜夹角到设定值。

更进一步，所述压印包括如下步骤：

3a)对上下两个隔腔抽真空处理；

3b)在上下两个隔腔达到设定气压后，保持上隔腔气压不变，降低下隔腔气压，上下隔腔的压差使得PDMS软膜板向下弯曲变形，进而与曲面基底接触贴合，曲面基底表面的紫外固化胶在压印力以及毛细力的作用下填充进PDMS软模板的微纳结构空隙中，同时打开紫外光源进行固化。

所述脱模是指当达到预设的压印时间后，降低上腔体的气压直到PDMS软模板回弹至其初始的位置，完成整个压印过程。

更进一步，在PDMS软模板制备前还包括曲面光栅设计的步骤。

本发明的独特之处：

1)平面等间距光栅到曲面变间距光栅的工艺思路：首先通过复制技术，将平面等间距光栅的微纳结构转移到PDMS软模板之上，其后通过紫外纳米压印技术，利用软模板的可控变形实现间距的可控变化，完成曲面变间距光栅的制作。软模板制备和纳米压印均为一次成型，工艺简单高效；整个工艺过程不需要依赖昂贵的设备，作为母板的平面等间距光栅可直接利用成熟的商用产品，工艺成本低；

2)压印装置基于气体辅助施压提供压印所需的压印力，保证了压印力的均匀性。与常规的常压压印装置相比，本方案的加工装置的上下隔腔气压皆可实现独立精确的控制，保证了压印力的准确，不会因为大气波动等原因产生偏差；压印腔体与外界环境是隔离的，加之压印开始之前对其进行的抽真空处理，排出了可能残留在腔体中的小颗粒杂质，提供了一个清洁的压印环境，保证了最后的压印质量。

3)通过调整压印力(上隔腔与下隔腔体之间的压差)、PDMS软模板与曲面基底的距离、曲面基底的倾斜角度这三个压印参数的优化组合来实现光栅参数的精确控制。

4)可实现光栅槽形的灵活选择，光栅的槽形取决于平面光栅母板的槽形，因此可以根据应用需求，选择不同的平面光栅母板，即可灵活制作出各种光栅槽形，常见的有锯齿形、矩形、正弦形等。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明所述曲面光栅加工装置的结构示意图；

图2为本发明所述曲面光栅加工方法中的PDMS软模板安装示意图；

图3为本发明所述曲面光栅加工方法中进行抽真空时的状态示意图；

图4为本发明所述曲面光栅加工方法中进行压印时的状态示意图；

图5为本发明所述曲面光栅加工方法中进行脱模时的状态示意图；

图6为曲面光栅的结构示意图；

图7为PDMS软模板制备时使用的商用平面等间距光栅结构示意图；

图8为制作完成的PDMS软模板外观示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例来对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

本发明提供了一种曲面光栅的加工装置，其结构如图1所示，包括压印腔体2、控制气路和紫外光源9，压印腔体2中部设置有PDMS(聚二甲基硅氧烷)软模板安装位5，PDMS软模板安装位5用于安装PDMS软模板6，PDMS软模板6安装在PDMS软模板安装位5上后将压印腔体2分隔为上隔腔3和下隔腔4两个隔腔，PDMS软模板6与PDMS软模板安装位5之间进行了密封处理，这样上隔腔3和下隔腔4是两个相互独立的密封腔体，上隔腔3和下隔腔4上分别与控制气路相通，控制气路包括与上下隔腔相通的气管及设置在气管上的真空泵31、电磁阀32和气压计33，真空泵31可通过气管对上隔腔3和下隔腔4进行抽真空处理，设置在气管上 的电磁阀32和气压计33可实现对上隔腔3和下隔腔4内气压的实时监测和精确控制。

下隔腔4的底部中央设置有基底夹具8，基底夹具8上表面的高度及相对水平面的倾斜角度可调，基底夹具8的上表面上搁置有用于加工曲面光栅的曲面基底7。

整个压印腔体2设置在紫外防护箱1中，紫外光源4安装在紫外防护箱1的顶部中央。紫外防护箱保护了实验者在实验过程中免受紫外光的伤害。

本发明还提供了一种曲面光栅的加工方法，该方法采用上述的曲面光栅加工装置，具体包括如下步骤：

第一步进行曲面光栅设计：对于具有像差校正功能的曲面光栅而言，需要根据其使用条件，设计光栅栅线分布规律。具体地，如图6所示，光栅间距d沿着Y方向(垂直于光栅栅线方向)有规律地变化，即

d＝d ₀+d ₁y+d ₂y ²+…+d _ny ⁿ

其中d ₀为基底中心的栅线间距，后面各项为变间距项。像差校正要求越高，需要考虑的变间距项就越多。在一般应用当中，控制好一阶项即可获得良好的像差校正效果，即d＝d ₀+d ₁y。

第二步进行PDMS软模板制备：如图7所示，首先将商用平面等间距光栅21嵌入光栅夹具22中作为复制模板，考虑到柔性模板的变形特性，平面光栅母板的栅线间距需小于曲面光栅的d ₀。然后，在该模板上多次旋涂固化PDMS预聚物和交联剂的混合物，并在边缘嵌入一个薄的圆铁环，这么做的主要目的是为了增加软模板边缘的刚度，最后经过固化得到如图8所示的带有等间距微纳结构的PDMS软模板。

第三步为利用曲面光栅加工装置进行压印作业，具体有以下几步：

1)如图2所示，将制作好的带有等栅距微纳结构的PDMS软模板安装到压印腔体的中部，同时在曲面基底7(图中为凹面玻璃基底)上旋涂紫外固化胶11并进行预固化，之后将曲面基底7安装在下隔腔4底部的基底夹具8上，通过调整基底夹具8上表面的高度及其与水平面的倾斜夹角使曲面基底7处于设定好的高度(即PDMS软模板6与曲面基底7的距离)和倾斜角度；

2)抽真空：如图3所示，通过控制气路对上隔腔3和下隔腔4同时进行抽真空处理，直到两个腔体的气压达到预设的数值，目的是为了将下隔腔4中的小颗粒杂质排出，保证了清洁的压印环境，以免造成压印表面瑕疵,影响压印质量；

3)压印：如图4所示，保持上隔腔3的气压不变，继续降低下隔腔4的气压，这样PDMS软模板6就会在压差的作用下产生变形，进而与曲面基底7接触贴合，曲面基底7表面的紫外固化胶11在压印力以及毛细力的作用下填充进PDMS软模板6的微纳结构空隙中，同时打开紫外光源9进行固化；

4)脱模：如图5所示，当达到预设的压印时间后，降低上隔腔3的气压直到PDMS软模板6回弹至其初始的位置，完成整个压印过程。为了保证压印的效果，避免在抽真空以及最后的脱模过程中PDMS软膜板6与曲面基底7产生接触，始终保证在这两个过程中上隔腔3的气压略小于等于下隔腔4的气压。

由于基底夹具8的高度和其与水平面的倾斜角度可调，通过控制这两个参数以及上下两个隔腔之间的压差，可以实现光栅间距变化的精确调控。

光栅的槽形(即图6所示Z方向的形貌)取决于平面光栅母板的槽形，因此可以根据应用需求选择不同的平面光栅母板，即可灵活制作出各种光栅槽形，常见的有锯齿形(图中所示)、矩形、正弦形等。

通过本发明所述的加工装置和加工方法已经成功制作出了凹面变间距光栅样品。经微观形貌测试，凹面光栅保持了母板平面光栅的锯齿槽形，并实现了间距的规律变化；对其进行光谱分辨率检测，在可见光波段的分辨率优于1.5nm，验证了其像差校正功能。

需要说明的是，上述实施例仅仅是实现本发明的优选方式的部分实施例，而非全部实施例。显然，基于本发明的上述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1. 一种曲面光栅加工装置，包括压印腔体、控制气路和紫外光源，其特征在于，所述压印腔体中部设置有PDMS软模板，PDMS软模板将压印腔体分隔为上下两个隔腔，控制气路分别与上下两个隔腔相连并精确控制两个隔腔内的气压，下隔腔的底部中央设置有基底夹具，用于加工曲面光栅的曲面基底设置在基底夹具上表面，基底夹具上表面的高度及其与水平面的倾斜角度可调。
2. 如权利要求1所述的一种曲面光栅加工装置，其特征在于，所述压印腔体中部设置有PDMS软模板安装位，PDMS软模板密封设置在PDMS软模板安装位上。
3. 如权利要求1所述的一种曲面光栅加工装置，其特征在于，所述控制气路包括上下隔腔相通的气管及设置在气管上的真空泵、电磁阀和气压计，通过电磁阀和气压计精确控制上下两个隔腔内的气压。
4. 如权利要求1所述的一种曲面光栅加工装置，其特征在于，所述紫外光源设置在上隔腔的上部中央，所述压印腔体设置在紫外防护箱中。
5. 一种利用权利要求1所述的装置加工曲面光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

   1)PDMS软模板制备；

   2)PDMS软模板安装及预处理；

   3)压印；

   4)脱模。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述PDMS软模板制备包括如下步骤：

   1a)将商用平面等间距光栅嵌入光栅夹具中作为复制模板；

   1b)在该复制模板上多次旋涂固化PDMS预聚物和交联剂的混合物，并在边缘嵌入一个薄的圆铁环，固化后得到PDMS软模板。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，PDMS软模板安装及预处理是指将PDMS软模板安装在权利要求1所述的曲面光栅加工装置中的压印腔体中，同时对曲面基底进行紫外固化胶的旋涂和预固化，并且调整基底夹具的上表面的高度及其与水平面的倾斜夹角到设定值。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压印包括如下步骤：

   3a)对上下两个隔腔抽真空处理；

   3b)在上下两个隔腔达到设定气压后，保持上隔腔气压不变，降低下隔腔气压，上下隔腔的压差使得PDMS软模板向下弯曲变形，进而与曲面基底接触贴合，曲面基底表面的紫外固化胶在压印力以及毛细力的作用下填充进PDMS软模板的微纳结构空隙中，同时打开紫外光源进行固化。
9. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脱模是指当达到预设的压印时间后，降低上腔体的气压直到PDMS软模板回弹至其初始的位置，完成整个压印过程。
10. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，在PDMS软模板制备前还包括曲面光栅设计的步骤。

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