一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及光学技术领域，具体涉及一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用。所述微透镜阵列光栅的制备方法为采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。本发明专利技术采用微流控技术制作微透镜阵列光栅上，解决了传统工艺制作微透镜阵列光栅时存在的集成度不高以及工艺不可控等问题。本制备的微透镜阵列光栅元件，组合了聚焦和色散两种功能，相比传统元件，降低了元件的尺寸和成本；微透镜阵列光栅可以在同一个基片上集成不同尺寸的微透镜，使其同时具有不同的分光功能，提高了元件的集成度。提高了元件的集成度。提高了元件的集成度。

【技术实现步骤摘要】
一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及光学
，具体涉及一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，在诸如农业、天文、汽车、生物、化学、环境检测、食品、医学等领域中具有重要且广泛的应用。光谱仪中的分立光学元件，如弯曲的准直收集镜和典型的衍射光栅等，使光谱仪结构复杂化，增加了光谱仪的制作成本。
[0003]为了降低光谱仪中光学元件的尺寸和成本，期望通过将不同的光学功能组合到一个元件中，从而最小化光学元件的数量。在常规光谱仪系统中，两个主要的光学功能是聚焦和色散，可以通过在折射或反射光学元件上制造衍射表面，实现这两种功能的组合。诸如曲面光栅、光栅
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菲涅耳透镜、和光栅
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微透镜混合元件。其中，微透镜阵列光栅混合元件是通过将光栅结构集成在多组微小透镜上而形成，微透镜阵列光栅混合元件除了集成聚焦和色散的两个光学功能外，还具有可以在同一个元件上实现不同的分光效果，可大面积实现光束的分光等优点。
[0004]目前，在微透镜阵列元件或光栅元件的制作具有较多的加工方法。然而，将微透镜阵列与光栅结构结合，现有技术还未有良好的加工工艺。目前常见的加工工艺是将微透镜阵列和光栅结构进行拼接组合，然而这样加工工艺不可避免的存在两种光学元件间的匹配问题，并且其集成度也较低。此外，JunShi等人，提出了一种通过组合热熔、自组装和复制的方法来制作微透镜阵列光栅(J.Shi,Y.Huang,L.Peng,et al.,“Grating/microlens arrays fabricated by hot
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melting,self
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assembly and replication”,Optical Materials,2020,04:109733)，然而通过该种方法难以调控光栅线密度和微透镜尺寸，也限制了其制作的微透镜阵列光栅的应用。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种微透镜阵列光栅及其制备方法和应用。通过采用微流控芯片技术将微透镜阵列与光栅结构结合，从而解决现有技术中制作微透镜阵列光栅时，存在的集成度不高以及工艺不可控等问题。进一步的，将制备的微透镜阵列光栅用于光谱仪中，可降低光谱仪的尺寸和成本。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下的技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种微透镜阵列光栅的制备方法：采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS(聚二甲基硅氧烷)光栅变形为微透镜阵列光栅。
[0008]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述PDMS光栅的制备方法为：先制作原始光栅模板；将PDMS溶液一倒在原始光栅模板上，加热固化。
[0009]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述PDMS溶液一为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为15～20:1。
[0010]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述具有气孔阵列的微流控芯片包括顶层、中间微流道层以及下支撑层；所述顶层设有微流控出口、微流控入口以及气孔阵列；所述中间微流道层为PDMS微流道层。
[0011]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述顶层和下支撑层为有机玻璃材质。
[0012]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，不同阵列的气孔直径可以相同，也可以不同。
[0013]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，具有气孔阵列的微流控芯片采用如下方法制备：
[0014]步骤1：取两片有机玻璃，采用激光打孔的方式在其中一片有机玻璃上刻出微流控出口、微流控入口以及气孔阵列后作为顶层；另一片有机玻璃作为下支撑层；
[0015]步骤2：采用CNC精密数控机床对有机玻璃加工，制得微流道模板；将PDMS溶液二倒在微流道模板上复制出图形，随后脱模得到PDMS微流道层；
[0016]步骤3：采用过氧离子轰击键合技术将顶层、PDMS微流道层和下支撑层永久键合。
[0017]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，所述步骤2中PDMS溶液二为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为10:1。
[0018]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅的具体方式为：
[0019]步骤S1：在具有气孔阵列的微流控芯片顶层的微流控出口、微流控入口上方键合PDMS块，并在PDMS块上设置出水管出口以及水管入口；所述水管入口与微流控入口连通，用于向微流控芯片内注水；所述水管出口与微流控出口连通，水管出口连接压力测试计，所述压力测试计用于控制水压；
[0020]步骤S2：将PDMS光栅与步骤S1连接后的微流控芯片进行键合；
[0021]步骤S3：通过水管入口向微流控芯片注入水，使用水压测试计控制水压，通过水压使PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。
[0022]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，还包括将聚氨酯丙烯酸酯(PUA)溶液倒在微透镜阵列光栅上，紫外固化后得到PUA微透镜阵列光栅。
[0023]进一步的，在上述微透镜阵列光栅的制备方法中，还包括以PUA微透镜阵列光栅为模板，继续制作PDMS微透镜阵列光栅。
[0024]第二方面，本专利技术提供一种微透镜阵列光栅，采用上述制备方法制备。
[0025]第三方面，本专利技术提供上述微透镜阵列光栅或微透镜阵列光栅的制备方法在光学
的应用，所述光学
包括但不限于光谱仪。
[0026]本专利技术的有益效果为：
[0027](一)本专利技术采用微流控技术制作微透镜阵列光栅，解决了传统工艺制作微透镜阵列光栅时存在的集成度不高以及工艺不可控等问题。
[0028](二)本专利技术制备的微透镜阵列光栅元件，组合了聚焦和色散两种功能，相比传统元件，降低了元件的尺寸和成本。此外，本专利技术的微透镜阵列光栅可以在同一个基片上集成不同尺寸的微透镜，使其同时具有不同的分光功能，因此提高了元件的集成度。
[0029](三)本专利技术在制备PDMS微透镜阵列光栅后，利用PUA溶液作为记录制备了PUA微透
镜阵列光栅。PUA微透镜阵列光栅保存时间长、可重复利用，可作为模板继续进行微透镜阵列光栅的批量生产。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例制备的原始光栅模板结构示意图；
[0031]图2是本专利技术实施例制作PDMS光栅模板的过程示意图；
[0032]图3是本专利技术实施例制备的PDMS光栅模板结构示意图；
[0033]图4是本专利技术实施例中具有多孔阵列的微流控芯片拆分图，图4a为微流控芯片的顶层，图4b为微流控芯片的中间微流道层，图4c为微流控芯片的下支撑层；
[0034]图5是本专利技术实施例中键合后微流控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，采用具有气孔阵列的微流控芯片，利用水压将PDMS光栅变形为微透镜阵列光栅。2.根据权利要求1所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，所述PDMS光栅的制备方法为：先制作原始光栅模板；将PDMS溶液一倒在原始光栅模板上，加热固化；所述PDMS溶液一为聚二甲硅氧烷与固化剂的混合溶液，聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为15～20:1。3.根据权利要求1所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，所述具有气孔阵列的微流控芯片包括顶层、中间微流道层以及下支撑层；所述顶层设有微流控出口、微流控入口以及气孔阵列；所述中间微流道层为PDMS微流道层。4.根据权利要求3所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，具有气孔阵列的微流控芯片采用如下方法制备：步骤1：取两片有机玻璃，采用激光打孔的方式在其中一片有机玻璃上刻出微流控出口、微流控入口以及气孔阵列后作为顶层；另一片有机玻璃作为下支撑层；步骤2：采用CNC精密数控机床对有机玻璃加工，制得微流道模板；将PDMS溶液二倒在微流道模板上复制出图形，随后脱模得到PDMS微流道层；步骤3：采用过氧离子轰击键合技术将顶层、PDMS微流道层和下支撑层永久键合。5.根据权利要求4所述的微透镜阵列光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤2中PDMS溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：金建，邸思，王旭迪，孙学通，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：