一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法，包括：清洗石英基片；将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；将混合溶液旋涂于石英基片上形成PMMA透明膜层；搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；利用聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；利用电加热台对棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。本发明专利技术具有制造工艺简便高效、无需相位掩模板、制造成本低和实验重复性好等优点，同时确保较高的透光性。同时确保较高的透光性。同时确保较高的透光性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法


[0001]本专利技术属于激光微纳制造以及微纳光学
，具体涉及一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法。

技术介绍

[0002]折射型微透镜阵列现如今已广泛应用于微纳光学领域，由于其具有质量小、体积小等特点，透镜微小化以及阵列化已成为集成微光学发展的重要趋势。
[0003]目前更多的是利用传统光刻胶热回流方法制作微透镜阵列，光刻胶热回流法具体可分为以下步骤：1.基底上的光刻胶在掩模板的遮蔽下进行曝光；2.对曝光后的胶体进行显影和清洗剥离；3.将基底放置在加热平台上使光刻胶热熔成型。这种方法由于工艺相对简单，制造成本较低，易于复制等优点而被广泛应用于微透镜阵列的制作过程中。
[0004]但是，在曝光过程中，由于光的衍射效应，需要精确控制掩模板与光刻胶之间的距离，同时实现完全对准才能确保较高的刻蚀分辨率；此外掩模板的制作过程较复杂，制作成本高，机械接触容易损伤掩模板，并且一种掩模板只能对应一种形状，这就大幅降低了设计与制造过程中的自由度。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列及其制作方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，包括以下步骤：
[0007]清洗石英基片；
[0008]将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；
[0009]将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层；
[0010]搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；
[0011]利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；
[0012]利用电加热台对所述棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液，包括：
[0014]将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液，配置成体积分数为25％的混合溶液。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层，包括：
[0016]使用台式匀胶机，将所述石英基片吸附于台式匀胶机的旋转台上，设置转速，旋涂完成使用热风枪固化形成PMMA透明膜层；其中，慢速为600转/分钟，持续15秒；快速为900转/分钟，持续5秒。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，搭建飞秒激光加工光路，包括：
[0018]飞秒激光器输出飞秒激光，经过半波片、偏振分光棱镜后通过两块平面反射镜进入快门孔径内，打开快门使飞秒激光平行进入显微镜的通光孔内，在显微镜内飞秒激光通过物镜聚焦在电控三维平移台上进行加工；其中，所述快门、所述电控三维平移台通过与计算机连接控制激光曝光时间与加工路径，激光加工功率通过旋转所述半波片来控制。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述飞秒激光器输出的飞秒激光中心波长为1030nm，重复频率为1MHz，脉冲宽度为220fs，平均输出功率为1W，单脉冲能量为1μJ。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构，包括：
[0021]将所述PMMA透明膜层固定在所述电控三维平移台上，通过所述显微镜观察所述PMMA透明膜层的表面形貌以及膜层厚度，微调所述电控三维平移台的高度，使飞秒激光聚焦在所述PMMA透明膜层表面，打开快门，移动所述电控三维平移台，刻写形成棱柱结构。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，每块所述平面反射镜为中心波长为1030nm的高反镜，其反射率大于99％。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，所述物镜为镀红外高透膜的50倍显微物镜，其数值孔径为0.65，1030nm波长处透过率大于98％。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，所述石英基片尺寸为7.5
×
7.5
×
1.5mm3。
[0025]第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列，所述微透镜阵列利用上述任一所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法制作而成。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]本专利技术提出的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，是一种新型的减材剥离方式实现微透镜阵列的制作工艺，具体地：清洗石英基片；将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；将混合溶液旋涂于石英基片上形成PMMA透明膜层；搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；利用聚焦的飞秒激光对PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；利用电加热台对棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。可见，本专利技术通过对聚甲基丙烯酸甲酯材料进溶解、旋涂、固化、激光刻蚀、热熔回流以及冷却等工艺来实现微透镜阵列的有效控制与制作，该制作工艺可以在石英基片上灵活地制造出微透镜阵列结构，进而实现对光斑的聚焦以及整形；通过计算机控制快门和电控三维平移台，利用飞秒激光直写的方式代替相位掩模板完成微透镜阵列的制作，在保证刻蚀精度的同时大幅降低了制作成本。总的来说，本专利技术具有制造工艺简便高效、无需相位掩模板、制造成本低和实验重复性好等优点，同时确保较高的透光性。
[0028]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0029]图1是本专利技术实施例提供的一种基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法的流程示意图；
[0030]图2是本专利技术实施例提供的石英基片上旋涂的PMMA透明膜层的示意图；
[0031]图3是本专利技术实施例提供的搭建的飞秒激光加工光路示意图；
[0032]图4是本专利技术实施例提供的飞秒激光刻蚀过程示意图；
[0033]图5是本专利技术实施例提供的PMMA材料热熔前后侧面尺寸形貌的结构示意图；
[0034]图6是本专利技术实施例提供的飞秒激光刻蚀后PMMA材料棱柱阵列正视图；
[0035]图7(a)～图7(b)是本专利技术实施例提供的微透镜阵列正视和侧视图；
[0036]图8是本专利技术实施例提供的微透镜阵列焦点处光斑的示意图；
[0037]图9是本专利技术实施例提供的微透镜阵列匀光效果的示意图。
[0038]附图标记说明：
[0039]1‑
1为飞秒激光器；1
‑
2为半波片；1
‑
3为偏振分光棱镜；1
‑
4为挡光板；1
‑
5为第一块平面反射镜；1
‑
6为第二块平面反射镜；1
‑
7为快门；1
‑
8为显微镜；1
‑
9为电控三维平移台；1
‑
10为计算机；2
‑
1为物镜；2
‑
2为PMMA透明膜层；2
‑
3为石英基片；3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刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，包括以下步骤：清洗石英基片；将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液；将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层；搭建飞秒激光加工光路输出聚焦的飞秒激光；利用聚焦的飞秒激光对所述PMMA透明膜层进行刻写形成棱柱结构；利用电加热台对所述棱柱结构进行热熔回流形成半球形结构，冷却后形成相应的微透镜阵列。2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液配置混合溶液，包括：将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲苯溶液，配置成体积分数为25％的混合溶液。3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，将所述混合溶液旋涂于所述石英基片上形成PMMA透明膜层，包括：使用台式匀胶机，将所述石英基片吸附于台式匀胶机的旋转台上，设置转速，旋涂完成使用热风枪固化形成PMMA透明膜层；其中，慢速为600转/分钟，持续15秒；快速为900转/分钟，持续5秒。4.根据权利要求1所述的基于飞秒激光刻蚀的微透镜阵列制作方法，其特征在于，搭建飞秒激光加工光路，包括：飞秒激光器输出飞秒激光，经过半波片、偏振分光棱镜后通过两块平面反射镜进入快门孔径内，打开快门使飞秒激光平行进入显微镜的通光孔内，在显微镜内飞秒激光通过物镜聚焦在电控三维平移台上进行加工；其中，所述快门、所述电控三维平移台通过与计算机连接控制激光曝光时间与加工路径，激光加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军利，刘凯欣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：