一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法及其装置，包括如下步骤：基材表面加工通孔，在基材表面加工微纳复合结构，用于形成超亲水表面；在硬脆材料表面涂覆PDMS胶体，将涂覆PDMS胶体的硬脆材料放置在具有液体的容器底部；将超亲水表面与涂覆PDMS胶体的硬脆材料表面接触，并施加下压力，通过表面张力与下压力的作用，使基材的矩形通孔中的PDMS胶体形成椭圆微凸透镜结构；通过蒸发将PDMS剥离，得到残留PDMS的硬脆材料；对残留PDMS的硬脆材料进行等离子体干法刻蚀，得到硬脆材料上的椭圆微凸透镜阵列结构。本发明专利技术可高效、灵活的在硬脆材料上形成高质量椭圆微凸透镜阵列。上形成高质量椭圆微凸透镜阵列。上形成高质量椭圆微凸透镜阵列。

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法及其装置


[0001]本专利技术涉及光学元件领域，特别涉及一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法及其装置。

技术介绍

[0002]椭圆微凸透镜阵列作为一种重要的微型化光学元件，由于其在长、短轴方向焦距不同的特性，在准直、消像散、均匀化半导体激光器光束方面具有重要的应用。常用制备椭圆微凸透镜的方法包括光聚合技术、喷墨打印技术、热回流技术、光刻技术、热模压技术、丝网印刷技术等，但这些方法通常只能用于加工聚合物材料，聚合物材料在高温高压等极端环境下难以使用。硬脆材料(如石英、蓝宝石、光学玻璃等)具有耐磨、耐高温、耐冷热循环等优良特性，在极端条件下依然可保持良好的工作性能，更符合实际应用的需求，但与此同时脆硬特性也进一步增加了加工难度。目前工业上加工硬脆材料椭圆微凸透镜常用方法包括金刚石铣削技术、掩模移动光刻技术。然而金刚石铣削加工的椭圆微凸透镜表面质量不高，掩模移动光刻技术的加工精度严重依赖步进电机的移动精度，并且加工灵活性不足。因此，椭圆微凸透镜阵列的高效、高质量制备仍是一个重要的挑战。
[0003]飞秒激光已被证明是能够在任意材料上加工任意形状的一种有效的工具。飞秒激光加工椭圆微凸透镜的方法主要有飞秒激光直写技术、飞秒激光直写辅助退火技术、双光子聚合辅助干法刻蚀技术等。这些方法都有其局限性，飞秒激光直写的加工方式灵活，可加工任意形状的微结构，但其加工表面粗糙度较差；飞秒激光直写辅助退火技术拥有高效率、高表面精度的技术特点，但该方法对退火温度曲线有着严格要求，对微结构的形状控制性较差；双光子聚合辅助干法刻蚀技术具有较高的加工精度和灵活性，但其加工效率低，难以适应大面积的阵列加工。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法及其装置，通过在本征亲水的多孔(矩形孔)材料板表面采用飞秒激光直写形成超亲水表面(由于PDMS胶体与水不混融，所以超亲水即超疏PDMS)，之后将该多孔超亲水材料板在水下对涂敷在硬脆材料上的聚二甲基硅氧烷(PDMS)施加压力，在表面张力与所受压力的联合作用下，PDMS在多孔超亲水材料板的矩形孔中形成表面光滑的椭圆微凸透镜，之后将水蒸发并固化PDMS，接着利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术对样品进行干法刻蚀，将PDMS的椭圆微凸透镜阵列形状转移至下方的硬脆材料上。这种方法加工效率高，无需精确控制直写材料的去除量，表面质量高(表面形貌是在表面张力作用下自发形成)，不依赖于运动平台精度，且能够进行大面积加工，可以应用于多种难加工材料，为在硬脆材料表面形成高质量椭圆微凸透镜阵列提供了一种简单高效、灵活、适用范围广的方案。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，包括如下步骤：
[0007]基材表面阵列加工若干矩形通孔，通过飞秒激光直写扫描在基材表面加工微纳复合结构，使基材表面形成超亲水表面；
[0008]在硬脆材料表面涂覆PDMS胶体，将涂覆PDMS胶体的硬脆材料放置在具有液体的容器底部；
[0009]将基材的超亲水表面与涂覆PDMS胶体的硬脆材料表面接触，并施加向下的压力，通过表面张力与下压力的作用，使基材的矩形通孔中的PDMS胶体形成椭圆微凸透镜结构；
[0010]加热容器使PDMS胶体固化；固化后的PDMS、基材和硬脆材料从容器中取出，通过蒸发处理后，将PDMS剥离，得到残留PDMS的硬脆材料；
[0011]对残留PDMS的硬脆材料进行电感耦合等离子体干法刻蚀，得到硬脆材料上的椭圆微凸透镜阵列结构。
[0012]进一步，所述硬脆材料包括石英或蓝宝石或光学玻璃。
[0013]进一步，加热容器使PDMS胶体固化的加热温度为80摄氏度，保温1h。
[0014]进一步，电感耦合等离子体干法刻蚀中选用六氟化硫(SF6)和甲烷(CF3)的混合物作为刻蚀气体，两种气体的流量分别选用40sccm和200sccm。
[0015]进一步，电感耦合等离子体干法刻蚀中的刻蚀腔内真空度小于200mTorr，上、下电极功率分别被设置为300W和50W。
[0016]一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法的装置，包括飞秒激光系统、衰减片、机械开关、分束镜、白光源、CCD、二向色镜、平凸透镜、六自由度平移台、计算机控制系统、液体容器和感应耦合等离子体刻蚀系统；所述飞秒激光系统用于产生超短脉冲飞秒激光束，所述飞秒激光束依次经过衰减片、机械开关、二向色镜、平凸透镜后聚焦于加工件，所述加工件放置在六自由度平移台上；所述白光源用于产生白光，所述白光经过分束镜、二向色镜、平凸透镜后照射在加工件的加工区域，之后原路返回至分束镜，所述分束镜的反射光射入CCD中；
[0017]所述液体容器用于使加工后的加工件表面与涂覆PDMS胶体的硬脆材料形成椭圆微凸透镜结构；
[0018]所述感应耦合等离子体刻蚀系统用于对残留PDMS的硬脆材料进行电感耦合等离子体干法刻蚀。
[0019]本专利技术的有益效果在于：
[0020]1.本专利技术所述的基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，加工方法适用范围广，可选用任意多孔的本征亲水材料作为直写对象，且可在任意硬脆材料(如蓝宝石、石英、金刚石等)表面加工椭圆微凸透镜阵列，满足不同实际应用场景，应用范围广。
[0021]2.本专利技术所述的基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，加工的椭圆微凸透镜高度可根据施加压力的大小定量调控，长短轴尺寸可根据本征亲水的多孔材料板的孔形和尺寸自由选择，占空比可根据多孔材料板的孔隙占空比来确定，因此微凸透镜的尺寸和分布的调节具有很强的灵活性。
[0022]3.本专利技术所述的基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，对于飞秒激光在多孔材料板上直写形成的微纳复合结构的尺寸无要求，因此本专利技术的加工方法容错率高，使得本专利技术的加工方法简单高效。
[0023]4.本专利技术所述的基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，利用PDMS的表面张力和所受压力联合作用形成的椭圆微凸起形状作为掩模，其表面非常光滑，因而在后续ICP刻蚀过后形成的椭圆微凸透镜具有非常高的表面质量。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术所述基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的装置示意图。
[0026]图2为本方法在PDMS表面加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤：基材表面阵列加工若干矩形通孔，通过飞秒激光直写扫描在基材表面加工微纳复合结构，使基材表面形成超亲水表面；在硬脆材料表面涂覆PDMS胶体，将涂覆PDMS胶体的硬脆材料放置在具有液体的容器底部；将基材的超亲水表面与涂覆PDMS胶体的硬脆材料表面接触，并施加向下的压力，通过表面张力与下压力的作用，使基材的矩形通孔中的PDMS胶体形成椭圆微凸透镜结构；加热容器使PDMS胶体固化；固化后的PDMS、基材和硬脆材料从容器中取出，通过蒸发处理后，将PDMS剥离，得到残留PDMS的硬脆材料；对残留PDMS的硬脆材料进行电感耦合等离子体干法刻蚀，得到硬脆材料上的椭圆微凸透镜阵列结构。2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，其特征在于，所述硬脆材料包括石英或蓝宝石或光学玻璃。3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光与干法刻蚀在硬脆材料上制备椭圆微凸透镜阵列的方法，其特征在于，电感耦合等离子体干法刻蚀中选用六氟化硫(SF6)和甲烷(CF3)的混合物作为刻蚀气体，两种气体的流量分别选用40sccm和200sccm。4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光与干...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，叶云霞，任旭东，任云鹏，戴子杰，张晶晶，陶宇峰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：