一种多材料面型可控毫米尺度透镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多材料面型可控毫米尺度透镜及其制备方法，属于激光微纳加工技术领域，本发明专利技术采取两束离子束斜入射的方法轰击在硬质材料样品表面，样品被固定在样品托上以一定速度均匀旋转，刻蚀一段时间可以得到一个非常光滑的毫米尺度透镜。本发明专利技术提供的毫米尺度透镜由于其出色的稳定性和表面质量，将其用作模板去转写毫米尺度凸透镜也是非常合适的。总之，本发明专利技术通过两束离子束斜入射的方法最终可以高效的在各种硬质材料表面刻蚀出光滑均匀且面型可控的毫米尺度透镜，一定程度上解决了毫米尺度透镜制备时表面形态控制困难，表面质量差，制备效率低，制备过程复杂等问题。制备过程复杂等问题。制备过程复杂等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多材料面型可控毫米尺度透镜及其制备方法


[0001]本专利技术属于激光微纳加工
，具体涉及利用离子束刻蚀技术在不同硬质材料表面实现面型可控的毫米尺度凹透镜的一种高效的制备方法。利用两束离子束会聚并且斜入射到不同硬质材料的表面，可以高效的刻蚀制备均匀且面型可控的毫米尺度凹透镜。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步，现代光学系统的发展趋势是微型化和集成化，这就要求光学系统的尺寸从厘米级下降到毫米级和微米级。毫米尺度透镜和微米尺度微透镜作为现代集成光学器件中极其重要的基础元件，得到了研究人员广泛的研究。透镜面型一般可以简单分为球面和非球面，常用轴对称非球面面型的数学表达式为Y轴为系统光轴，x为系统各点的横坐标值，c为透镜顶点处曲率，k为非球面的圆锥系数，也是决定透镜面型的关键参数；根据圆锥系数k值的不同，面型可以分为双曲面、抛物面、椭圆、圆、横扁椭圆五种类型。除了一般的球面面型，各种非球面面型的透镜拥有各种奇特的优势，如双曲面型透镜主要用于反射和望远系统，抛物面型透镜主要用于离轴望远系统，椭圆面型透镜主要用于激光准直仪器等。目前已经发展出许多制备微透镜的方法，如光刻、纳米压印、刻蚀辅助飞秒激光加工等，但这些方法应用到毫米尺度透镜上却都面临着难以制备甚至无法制备的问题。在各种硬质材料表面制备满足光学系统使用需求的毫米尺度透镜还面临着诸如表面形态控制困难，表面质量差，制备效率低，制备过程复杂等问题。
[0003]目前主流的制备毫米尺度透镜的方法可以简单分为以下几类：
[0004]一、注射成型等微加工手段：注射成型是指利用压力将胶体压入模板来制备结构，使用方法简单，效率也可以得到保证；但模板的难以制备，表面质量差以及不适用于硬质材料等缺点限制了它的使用；
[0005]二、金刚石车削等精密加工手段：金刚石车削方法是指利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的光学零件，面型基本可控，比较适合于加工非金属等硬度较低的材料；但加工效率以及加工表面的质量等问题制约着该技术的普及；
[0006]三、离子束直接刻蚀等加工手段：离子束刻蚀等方法是指直接利用高能离子束轰击样品表面，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，制备精度较高，表面质量良好；但离子束目前一般被用于垂直轰击刻蚀微米尺度微透镜，理论上增加刻蚀时间也能刻蚀出球型透镜，但刻蚀效率很低，透镜面型也难以控制。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种多材料面型可控毫米尺度透镜的高效制备方法。采取两束离子束斜入射的方法轰击在硬质材料样品表面，样品被固定在样品托上以一定速度均匀旋转，刻蚀一段时间可以得到一个非常光滑的毫米尺度透镜。相比较于传统的离子束垂直入射，采取离子束斜入射的方法可以极大的提高离子
束的刻蚀效率，在离子束和样品之间的夹角在10
°‑
20
°
左右时，离子束拥有最高的刻蚀效率，即离子束斜入射相比较于垂直入射，效率得到了提高。但此时由于离子束斜入射会造成同时作用在样品表面的离子束能量不均匀，在靠近离子束源的区域单位能量密度会高于远离离子束源的区域，这样会使高效刻蚀出来的透镜形貌不均匀甚至不成型；此时可以选择采用两束离子束同时作用在同一区域，解决了单束离子束随样品表面位置改变而能量不同的问题，即解决了离子束斜入射带来的透镜形貌不均匀的问题；如果采用两束离子束不同时作用在同一区域，即上调或下调样品托的高度从而调控两束离子束的位置使其在XY平面有一定错位时，刻蚀效果类似，两束离子束分别刻蚀出来的凹坑最终会合二为一成为本专利技术所制备的面型可控的毫米级透镜；若预先上调样品托高度，该透镜面型的左右两部分则分别会由左右离子束源所刻蚀凹坑的左半部分和右半部分决定，若预先下调样品托高度，该透镜面型的左右两部分则分别会由左右离子束源所刻蚀凹坑的右半部分和左半部分决定；总之，两束离子束的协同作用可以较为简单的控制最终透镜的面型，比如可以刻蚀得到双曲面型的透镜。采用两束离子束斜入射相比较于单束离子束又进一步地提高了刻蚀效率，样品托以一定速度匀速旋转也使最终刻蚀出来的透镜形貌更均匀，并且由于离子束刻蚀是纯物理轰击过程，所以针对不同的硬质材料都可以进行同样的刻蚀，只是效率有所区别；此外，本专利技术提供的毫米尺度透镜由于其出色的稳定性和表面质量，将其用作模板去转写毫米尺度凸透镜也是非常合适的。总之，本专利技术通过两束离子束斜入射的方法最终可以高效的在各种硬质材料表面刻蚀出光滑均匀且面型可控的毫米尺度透镜，一定程度上解决了毫米尺度透镜制备时表面形态控制困难，表面质量差，制备效率低，制备过程复杂等问题。
[0008]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0009]一种多材料面型可控毫米尺度透镜的制备方法，具体包括步骤如下：
[0010]步骤一：待加工样品处理；
[0011]依次采用蘸有丙酮溶液和乙醇溶液的棉球对待加工衬底进行擦拭，再经过去离子水冲洗和低温烘箱烘干，目的是清除衬底表面残留的污染物，然后将衬底取出备用，样品准备完成；
[0012]步骤二：利用两束离子束斜入射刻蚀制备毫米级透镜；
[0013]首先，将准备好的样品固定在样品托上，抽真空排除空气影响，采用两束离子束以斜入射的方法进行刻蚀，在刻蚀前，首先调整样品托的高度为离子束会聚位置，然后再上调或下调样品托的高度，使两束离子束在待加工衬底表面不完全会聚，或会聚后在待加工衬底表面有一定分离；刻蚀的同时样品托匀速旋转；刻蚀完成后取出样品，毫米级透镜制备完成。
[0014]进一步地，步骤一所述的待加工衬底，由于离子束刻蚀的无材料选择性，包括但不限于熔融石英、蓝宝石、金刚石等在内的透明硬质光学材料；衬底的大小为3mm
‑
20mm，厚度为100μm
‑
1mm，低温烘箱温度设置为50℃
‑
100℃。
[0015]进一步地，步骤二中的离子束由电离氩气产生，仪器的工作电压为0.1
‑
6kV，刻蚀时间为0
‑
100小时，两束离子束的入射角度为0
‑
10
°
，离子束的聚焦程度为0
‑
100％，固定样品的样品托的旋转方式为360
°
匀速旋转，或特定角度范围来回摇摆旋转，旋转速度为1
‑
6转每分钟。
[0016]进一步地，为了调控毫米级透镜的面型而调控离子束的空间位置，所述样品托的上调或下调高度为10μm
‑
1000μm，再结合不同的离子束刻蚀参数，如入射角度、聚焦程度等参数，将实验得到的透镜面型用轴对称非球面面型的数学表达式进行拟合，其中，c为透镜顶点处曲率，c<0.001；k为非球面的圆锥系数，k值决定了非球面的面型分布，k<
‑
1，非球面为双曲面型。
[0017]进一步地，步骤二中采用两束离子束呈对称角度进行斜入射，也可以采用三束或更多束离子束进行刻蚀，得到类似本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多材料面型可控毫米尺度透镜的制备方法，其特征在于，具体包括步骤如下：步骤一：待加工样品处理；依次采用蘸有丙酮溶液和乙醇溶液的棉球对待加工衬底进行擦拭，再经过去离子水冲洗和低温烘箱烘干，目的是清除衬底表面残留的污染物，然后将衬底取出备用，样品准备完成；步骤二：利用两束离子束斜入射刻蚀制备毫米级透镜；首先，将准备好的样品固定在样品托上，抽真空排除空气影响，采用两束离子束以斜入射的方法进行刻蚀，在刻蚀前，首先调整样品托的高度为离子束会聚位置，然后再上调或下调样品托的高度，使两束离子束在待加工衬底表面不完全会聚，或会聚后在待加工衬底表面有一定分离；刻蚀的同时样品托匀速旋转；刻蚀完成后取出样品，毫米级透镜制备完成。2.如权利要求1所述的一种多材料面型可控毫米尺度透镜的制备方法，其特征在于，步骤一所述的待加工衬底，包括熔融石英、蓝宝石或金刚石的透明硬质光学材料；衬底的大小为3mm
‑
20mm，厚度为100μm
‑
1mm，低温烘箱温度设置为50℃
‑
100℃。3.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学青，祁金勇，陈岐岱，孙洪波，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：