一种水下抗油污微透镜阵列及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光学器件微制备领域，特别涉及一种水下抗油污微透镜阵列及其制备方法。结合飞秒激光湿法刻蚀工艺、模板复制法、飞秒激光直写技术和等离子辐照的制备方法。通过在微透镜阵列间，使用飞秒激光构造粗糙结构，制备出具有超疏水性能的微透镜阵列，然后通过氧等离子体改性处理，使其形成水下抗油微透镜阵列。解决了微透镜阵列在实际应用中存在不能抵抗污染的问题，制备的微透镜阵列可以不仅具有优异的光学成像性能同时还具有良好的水下超疏油特性，可被广泛应用于水下光学探测、生物监测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种水下抗油污微透镜阵列及其制备方法
本专利技术涉及光学器件微制备领域，特别涉及水下抗油污微透镜阵列及其制备方法。
技术介绍
水下光学探测及成像已经成为生命科学研究、海洋勘探、内窥手术、微流控系统等许多研究领域的关键技术。但是，复杂的水下环境中存在的油污及生物组织液等污染物成为阻碍光学元器件使用的重要因素。传统方法制备的微透镜阵列通常具有光滑的表面，使得微透镜阵列无法抵抗污染物的污染，这些污染物不仅会影响光学元器件的使用寿命，降低光学元器件的性能，还有可能让整个光学系统丧失正常工作的功能。例如，在内窥手术中，被用于成像和观察的微透镜阵列容易被油污及生物组织液等污染，这些污染物附着在透镜表面上会影响诊察的准确性，最终影响病人的治疗。更为糟糕的是，这些污染物的清洗需要化学清洗液进行多次清洁处理，这些化学物质不仅会腐蚀微透镜阵列的表面，并且残留在透镜表面的化学物质也会随着下一次的手术进入人体内部，对身体带来一定的伤害。因此制备出一种具有抗油污的微透镜阵列具有重要的意义。许多自然界生物的表面都展现出抗油污及自清洁功能，如鱼鳞、蛤蜊贝壳、海藻等生物。鱼可以自由自在地在被污染过的水中游泳而保持其鱼鳞表面不被污染。研究者们发现鱼鳞表面的良好的抗油污染功能来源于鳞片的水下超疏油性。鱼鳞表面结构是一种微米/纳米复合结构，这种粗糙结构使得亲水材料变得更加亲水，使得鱼鳞表面最终表现出超亲水的特性。当水滴滴落在鱼鳞表面时，水滴会迅速铺展开。空气中的超亲水表面在水下表现出超疏油性，因此，当鱼鳞浸入水中时，油滴会在鱼鳞表面保持球形。研究者认为当鱼鳞浸入水中时，水会进入并填充满鱼鳞表面的粗糙结构，形成一个被俘水层。形成的被俘水层阻碍了油滴与鱼鳞表面的接触，由此实现了水下超疏油性。受到这些自然界生物表面的启发，科研工作者通过许多微纳制造技术在不同的材料上实现了制备水下超疏油表面，如自组装、模板复制法、化学浸涂法、电化学沉积、化学刻蚀等方法。研究工作者们在不同材料上制备得到了不同功能的水下超疏油表面；但是，到目前为止，一种可以用于抵抗油污染的微透镜阵列还没有被制备出来。
技术实现思路
为了解决微透镜阵列在实际应用中存在不能抵抗污染的问题，本专利技术提出基于PDMS的水下抗油污微透镜阵列及其制备方法。本专利技术的基本构思是：结合飞秒激光湿法刻蚀工艺、模板复制法、飞秒激光直写技术和等离子辐照的制备方法。通过在微透镜阵列间，使用飞秒激光构造粗糙结构，制备出具有超疏水性能的微透镜阵列，然后通过氧等离子体改性处理，使其形成水下抗油微透镜阵列。本专利技术的技术解决方案是提供一种水下抗油污微透镜阵列，包括凸透镜阵列本体，凸透镜阵列本体包括平面光滑区域，其特殊之处在于：每个凸透镜周围的平面光滑区域上刻蚀粗糙区域，该粗糙区域为超亲水区域。进一步地，凸透镜阵列本体的材质为PDMS。进一步地，定义在凸透镜阵列中，凸透镜中心位于同一直线的凸透镜为一行或一列凸透镜；任意相邻两行或两列凸透镜间的平面光滑区域刻蚀有粗糙区域，该粗糙区域由飞秒激光扫描线构成。进一步地，相邻两透镜之间的距离为200um，粗糙区域的宽度为60-92um。本专利技术还提供一种基于PDMS的水下抗油污微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：步骤一：样品清洗及改性；将待加工玻璃基板置于清洗液中进行清洗后固定在x-y-z三维平移台上，将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在待加工玻璃基板表面，通过电脑程序控制x-y-z三维平移台的移动，实现对辐照点的相邻距离以及排布方式的精确控制，使得待加工玻璃基板的表面形成排列有序的烧蚀弹坑。步骤二：湿法刻蚀制备微凹透镜阵列模板；将经过步骤一处理后的玻璃基板浸入氢氟酸溶液，进行超声水浴化学腐蚀，形成表面光滑的微凹透镜阵列模板；由于氢氟酸溶液的选择性腐蚀，使得烧蚀过的弹坑区域以及周围的改性区域腐蚀速率远大于未改性的区域。经过一段时间的腐蚀之后，最终形成表面光滑的微透镜阵列。将化学刻蚀处理后的样品经过酒精、去离子水超声水浴清洗，并放置在真空干燥箱中烘干备用。步骤三：PDMS模板复制法制备具有微凸透镜阵列的PDMS样片；将除掉气泡的PDMS混合液浇注在步骤二制备好的微凹透镜阵列模板上并恒温固化一定时间后，冷却脱模后得到具有微凸透镜阵列的PDMS样片；步骤四：激光直写制备具有微纳米复合结构修饰的微透镜阵列；将步骤三得到的具有微凸透镜阵列的PDMS样片再次固定在x-y-z三维平移台上用于辅助定位的微型旋转台上，通过CCD监控系统、微型旋转台、三维制备平台共同对已经复制好的样片进行定位，通过精确地定位，保证后续的制备质量，，将飞秒激光光束通过聚焦物镜聚焦在相邻凸透镜间的平面光滑区域；利用飞秒激光光束进行扫描刻蚀，使得在每个凸透镜周围的平面光滑区域上形成扫描线构成的粗糙区域；最终形成具有微纳米复合结构修饰的微透镜阵列；步骤五：氧等离子改性制备具有水下抗油污特性的微透镜阵列；将步骤四得到的具有微纳米复合结构修饰的微透镜阵列放入等离子体刻蚀机中，通过氧等离子表面改性处理，得到具有水下抗油污特性的微透镜阵列。进一步地，步骤四中利用飞秒激光光束进行扫描刻蚀时：定义凸透镜中心位于同一直线的凸透镜为一行或一列凸透镜；通过旋转至少一次旋转台方向，利用弓字形的扫描方式在任意相邻两行或两列凸透镜间的平面光滑区域扫描，扫描完成后，使得每个凸透镜周围均布粗糙区域，形成具有微纳米复合结构修饰的微透镜阵列。进一步地，步骤一中飞秒激光加工功率为5-10mW，聚焦物镜为50倍物镜，聚焦物镜的数值孔径为0.60。进一步地，步骤四中，飞秒激光加工功率为20-30mW，聚焦物镜为20倍物镜，聚焦物镜的数值孔径为0.40，飞秒激光扫描速度为2000-4000μm/s，相邻两个扫描线之间的距离是2-4μm。进一步地，步骤一中，相邻两个烧蚀弹坑中心之间的距离为200μm，烧蚀弹坑排列为矩形阵列或任意相邻的三个烧蚀弹坑中心连线构成一个等边三角形排列。进一步地，步骤二中氢氟酸溶液的浓度为3％-10％，超声水浴化学腐蚀温度在20-50℃之间。每隔十分钟取出K9玻璃样片并吹干观察，透镜是否刻蚀好。直到每个透镜表面光滑。形貌一致时停止刻蚀。进一步地，通过下述方法制备PDMS混合液：将PDMS单体与固化剂按体积比10:1的比例混合后抽真空。进一步地，步骤三中固化温度为100℃，固化时间为两小时；步骤五中在50mw的功率下刻蚀30-50s。进一步地，玻璃基板为K9玻璃或熔融石英；步骤一中将待加工玻璃基板依次置于丙酮、酒精、去离子水，通过超声水浴清洗。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提出的一种基于PDMS的水下抗油污微透镜阵列及其制备方法。制备的微透镜阵列可以不仅具有优异的光学成像性能同时还具有良好的水下超疏油特性，可被广泛应用于水下光学探测、生物监测等领域。2、PDMS具有良好的透光性，生物相容性和极低的表面自由能，可被广泛应用于微光学领域和微流控技术。本专利技术通过合理调控飞秒激光扫描过的粗糙区域的面积，可以使样片既具有超疏水极低粘滞性同时还具有良好的光学性能。最后通过氧等离子表面改性处理，使材料表面本来的-CH3和-CH2-基团消失，并嵌入了一些-OH、-COOH等极性基团。这些极性基团的存在增加的PDMS表面的亲水性。空气中的超亲水在水下表面为超疏油性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下抗油污微透镜阵列，包括凸透镜阵列本体，凸透镜阵列本体包括平面光滑区域(8)，其特征在于：每个凸透镜(5)周围的平面光滑区域(8)上刻蚀粗糙区域(6)，所述凸透镜阵列本体为超亲水区域。

【技术特征摘要】
1.一种水下抗油污微透镜阵列，包括凸透镜阵列本体，凸透镜阵列本体包括平面光滑区域(8)，其特征在于：每个凸透镜(5)周围的平面光滑区域(8)上刻蚀粗糙区域(6)，所述凸透镜阵列本体为超亲水区域。2.根据权利要求1所述的水下抗油污微透镜阵列，其特征在于：凸透镜阵列本体的材质为PDMS。3.根据权利要求1所述的水下抗油污微透镜阵列，其特征在于：定义凸透镜阵列中，凸透镜中心位于同一直线的凸透镜为一行或一列凸透镜；任意相邻两行或两列凸透镜间的平面光滑区域(8)刻蚀有粗糙区域(6)，所述粗糙区域(6)由飞秒激光扫描线构成。4.一种权利要求3所述的水下抗油污微透镜阵列，其特征在于：相邻两透镜之间的距离为200um，粗糙区域(6)的宽度为60-92um。5.一种权利要求2至4任一所述水下抗油污微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：样品清洗及改性；将待加工玻璃基板(1)置于清洗液中进行清洗后固定在x-y-z三维平移台上，将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在待加工玻璃基板(1)表面，控制x-y-z三维平移台的移动，实现对辐照点的相邻距离以及排布方式的精确控制，使得待加工玻璃基板(1)的表面形成排列有序的烧蚀弹坑(2)；步骤二：湿法刻蚀制备微凹透镜阵列模板；将经过步骤一处理后的玻璃基板浸入氢氟酸溶液，进行超声水浴化学腐蚀，形成表面光滑的微凹透镜阵列模板；步骤三：PDMS模板复制法制备具有微凸透镜阵列的PDMS样片；将除掉气泡的PDMS混合液浇注在步骤二制备好的微凹透镜阵列模板上并恒温固化一定时间后，冷却脱模后得到具有微凸透镜阵列的PDMS样片；步骤四：激光直写制备具有微纳米复合结构修饰的微透镜阵列；将步骤三得到的具有微凸透镜阵列的PDMS样片固定在x-y-z三维平移台上用于辅助定位的微型旋转台上，将飞秒激光光束通过聚焦物镜聚焦在相邻凸透镜(5)间的平面光滑区域(8)；利用飞秒激光光束进行扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青，李敏静，陈烽，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61