一种曲面光栅的加工装置及加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了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中，通过对PDMS软模板上下的隔腔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。

A Machining Device and Method for Curved Grating

The invention provides a processing device and method for curved surface grating. By making PDMS soft template, the PDMS soft template is set in the impression chamber. By accurately controlling the air pressure of the upper and lower compartments of the PDMS soft template, the PDMS soft template is imprinted to form a curved surface grating by using the pressure difference between the upper and lower compartments, the distance between the template base and the inclination angle of the base, etc. The control method of process parameters can realize the efficient and accurate fabrication of curved surface gratings.

【技术实现步骤摘要】
一种曲面光栅的加工装置及加工方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的独特之处：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专利技术进一步说明：图1为本专利技术所述曲面光栅加工装置的结构示意图；图2为本专利技术所述曲面光栅加工方法中的PDMS软模板安装示意图；图3为本专利技术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为本专利技术所述曲面光栅加工方法中进行压印时的状态示意图；图5为本专利技术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专利技术做进一步的详细说明，但本专利技术的实施方式不仅限于此。本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林慧，陈垚鑫，赖厚湖，马翠，余明，陈世祈，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44