基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，属于功能性表面应用技术领域。包括以下步骤：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的待加工材料表面；将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；借助成像CCD和照明白光源进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，配合机械开关的通断，在待加工材料表面进行指定区域、指定间隔的加工；将带有椭圆改性区域的样品浸入一定浓度的刻蚀溶液中刻蚀。对比现有技术，本发明专利技术为椭圆微透镜的高效、高质量制备提供了一种简单、可控、高效的加工方法。

Elliptical microlens processing method based on electronic dynamic control and chemical assisted etching

The invention relates to an elliptical micro lens processing method based on electronic dynamic control and chemical auxiliary etching, belonging to the technical field of functional surface application. Includes the following steps: optical path adjustment of femtosecond laser system, laser can ensure the material to be processed surface vertically to the horizontal; the slit is placed in the optical path through the slit, adjust the position of the slit width is adjusted to the required size, to ensure that the laser vertical slit by using CCD imaging Center; and according to understand the imaging light source, the surface morphology observation of processing materials and processing process, with the mechanical switch, to the designated area within a specified interval, processing in the material to be processed surface etching; etching solution with a certain concentration of the sample into the modified region of the ellipse. Compared with the prior art, the invention provides a simple, controllable and efficient processing method for the preparation of elliptical microlens with high efficiency and high quality.

【技术实现步骤摘要】
基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法
本专利技术涉及一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，属于功能性表面应用

技术介绍
椭圆微透镜在在现代光传感、光计算、光纤通信及其它光电子器件中有着重要的应用。为了实现椭圆微透镜的制备，需要在材料表面构建出具有各向异性形貌的表面，具体加工方法包括化学滴定法、磨削法、回流sol–gel法等。中国科学院西安光学精密机械研究所(李同海,吴国俊,胡保文,王丽莉,李育林.椭圆微透镜的制备及在LD光束整形中的应用[J].科学技术与工程,2005,(24):1890-1892+1902.)采用化学滴定的方法在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上得到了椭圆微透镜阵列，但使用这种方法的加工工艺复杂，对加工环境和设备的要求比较高，而且效率比较低；台湾某大学课题组(LuYK,TsaiYC,LiuYD,etal.Asymmetricelliptic-cone-shapedmicrolensforefficientcouplingtohigh-powerlaserdiodes[J].Opticsexpress,2007,15(4):1434-1442.)利用磨削的方法在光纤末端加工出椭圆微透镜，但这种方法对设备要求较高，操作较复杂；南洋理工大学课题组(HeM,YuanXC,NgoNQ,etal.Low-costandefficientcouplingtechniqueusingreflowedsol-gelmicrolens[J].Opticsexpress,2003,11(14):1621-1627.)利用回流sol–gel法制备出了椭圆微透镜阵列，不过该方法操作复杂，对材料有特定要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，该方法能够精确控制椭圆微透镜的长短轴比率和镜面曲率，实现大面积、高效率椭圆微透镜阵列。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，基于如下加工装置：飞秒激光系统、半波片、偏振片、机械开关、二向色镜、分束镜、照明白光源、聚焦透镜、成像CCD、狭缝、平凸透镜、移动平台、刻蚀溶液器皿和刻蚀溶液，其加工光路为飞秒激光系统产生的飞秒激光，经过半波片、偏振片和机械开关之后，被二向色镜反射，依次经过狭缝和平凸透镜后聚焦到待加工材料表面，待加工材料固定在六维移动平台上；照明白光源经过分束镜、二向色镜、狭缝和平凸透镜后照射到待加工材料表面，待加工材料表面反射光经过平凸透镜、狭缝、二向色镜后，被分束镜反射通过聚焦透镜入射到成像CCD中；具体加工步骤如下：步骤一：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的待加工材料表面；步骤二：将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；步骤三：借助成像CCD和照明白光源进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，配合机械开关的通断，即可在待加工材料表面进行指定区域、指定间隔的加工；步骤四：将步骤三所得的带有椭圆改性区域的样品浸入浓度k的刻蚀溶液中。作为优选，通过改变狭缝宽度改变材料表面椭圆改性区域的长短轴比率，狭缝宽度越小椭圆改性区域的长短轴比率越大，所述狭缝宽度在0～10mm之间。作为优选，通过调节刻蚀溶液浓度和刻蚀时间以得到不同曲率的镜面。作为优选，根据待加工材料的不同选择相应的刻蚀溶液，以取得不同的刻蚀效率。作为优选，待加工材料为熔融石英时，选用浓度k为1％-10％的氢氟酸溶液作为刻蚀溶液，刻蚀时间为40分钟，得到深度为4微米的椭圆微透镜。作为优选，所述k＝8％。作为优选，通过调整平凸透镜11的焦距控制椭圆微透镜的最小尺寸，焦距越小，最小尺寸越小，焦距范围为50mm～200mm。有益效果本专利技术的基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的加工方法，采用空间光整形的方法实现材料表面各向异性微纳复合结构的加工，不仅简化了椭圆形貌的构建过程，适用于各种材料，而且可以通过调节狭缝宽度实现各向异性结构长短轴比率的连续变化；进一步改变脉冲个数、能量、加工周期、刻蚀时长等参数可以实现大面积加工后椭圆微透镜长短轴比率、镜面曲率的可控变化，为椭圆微透镜的高效、高质量制备提供了一种简单、可控、高效的加工方法。附图说明图1是本专利技术实施例的一个加工光路的光学原理示意图。其中1—飞秒激光系统，2—半波片，3—偏振片，4—机械开关，5—二向色镜，6—分束镜，7—照明白光源，8—聚焦透镜，9—成像CCD，10—狭缝，11—平凸透镜，12—待加工材料，13—溶液器皿，14—刻蚀溶液。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1如图1所示，以表面抛光的熔融石英为例，一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，基于如下装置：飞秒激光系统1、半波片2、偏振片3、机械开关4、二向色镜5、分束镜6、照明白光源7、聚焦透镜8、成像CCD9、狭缝10、平凸透镜11、样品12、溶液器皿13以及刻蚀溶液14；其加工光路为飞秒激光系统1产生的飞秒激光，经过半波片2、偏振片3和机械开关4之后，被二向色镜5反射，经过狭缝10和平凸透镜11后聚焦到熔融石英12表面；照明白光源7经过分束镜6、二向色镜5、狭缝10和平凸透镜11后照射到熔融石英材料12表面，熔融石英表面反射光经过平凸透镜11、狭缝10、二向色镜5后，被分束镜6反射通过聚焦透镜8入射到成像CCD9中；经过飞秒激光加工后的熔融石英12浸入盛放刻蚀溶液14的溶液器皿13中。具体加工过程如下：步骤一：调整飞秒激光系统1的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的样品12表面；步骤二：将狭缝10放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；狭缝宽度越小，得到的材料表面椭圆改性区域的长短轴比率越大，所以椭圆改性区域的长短轴比率可以通过狭缝宽度进行连续调节；步骤三：借助成像CCD9和照明白光源7进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，配合机械开关的通断，即可在样品表面12进行指定区域、指定间隔的加工；步骤四：将步骤三所得的带有椭圆改性区域的样品浸入一定浓度的刻蚀溶液14中，调节溶液浓度和刻蚀时间，可以得到不同曲率的镜面，所以镜面的曲率可以连续调节。所述狭缝10宽度介于0到10mm之间。通过所述半波片2和偏振片3的组合实现能量在0.4mW到50mW之间变化。所述平凸透镜11的倍数选择可以控制加工形貌的最小尺寸，选用的平凸透镜的焦距越小，能加工的最小尺寸越小；针对本实施例选用的平凸透镜，可供选择的平凸透镜焦距包括50mm、100mm、200mm等。具体工作过程举例：飞秒激光系统1产生飞秒激光脉冲(美国光谱物理公司钛蓝宝石自锁模飞秒激光器Spectra-PhysicsTsunami，其振荡级输出功率0.56W，重复频率为80MHz，放大级输出功率为4W，脉冲重复频率4Hz-1000Hz连续可调，中心波长为800nm)，通过半波片2和偏振片3的组合将能量调整为10mW，二向色镜5将入射的飞秒激光脉冲进行反射，垂直通过宽度为2mm的狭缝10(大恒光电，型号为GCM-560101M)中心和焦距为200mm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，基于权利要求1所述椭圆微透镜加工装置，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的待加工材料表面；步骤二：将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；步骤三：借助成像CCD和照明白光源进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，配合机械开关的通断，即可在待加工材料表面进行指定区域、指定间隔的加工；步骤四：将步骤三所得的带有椭圆改性区域的样品浸入浓度为k的刻蚀溶液t时间。

【技术特征摘要】
1.一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法，基于权利要求1所述椭圆微透镜加工装置，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：调整飞秒激光系统的光路，确保激光能够垂直入射到水平放置的待加工材料表面；步骤二：将狭缝放置在光路经过处，调整狭缝的位置，将狭缝宽度调节至所需大小，确保激光垂直通过狭缝中心；步骤三：借助成像CCD和照明白光源进行成像，观测加工材料表面形貌及加工过程，配合机械开关的通断，即可在待加工材料表面进行指定区域、指定间隔的加工；步骤四：将步骤三所得的带有椭圆改性区域的样品浸入浓度为k的刻蚀溶液t时间。2.根据权利要求1所述一种基于电子动态调控和化学辅助刻蚀的椭圆微透镜加工方法的加工装置，其特征在于：包括以下部件：飞秒激光系统(1)、半波片(2)、偏振片(3)、机械开关(4)、二向色镜(5)、分束镜(6)、照明白光源(7)、聚焦透镜(8)、成像CCD(9)、狭缝(10)、平凸透镜(11)、移动平台，其加工光路为飞秒激光系统(1)产生的飞秒激光，依次经过半波片(2)、偏振片(3)和机械开关(4)之后，被二向色镜(5)反射，再依次经过狭缝(10)和平凸透镜(11)后聚焦到待加工材料(12)表面，待加工材料固定在移动平台上；照明白光源(7)依次经过分束镜(6)、二向色镜(5)、狭缝(10)和平凸透镜(11)后照射到待加工材料(12)表面，被待加工材料(12)表面反射后经过平凸透镜(11)、狭缝(10)、二向色镜(5)后，被分束镜(6)反射通过聚焦透镜(8)入射到成像CCD(9)中；待加工材料(12)经...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，潘昌基，孙靖雅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11