一种利用飞秒激光制备均匀、可控微透镜结构的方法与流程

本发明属于透镜阵列技术领域，特别涉及一种利用飞秒激光制备均匀、可控微透镜结构的方法。

背景技术：

透镜阵列广泛应用于光学器件，有机电致发光二极管，仿生复眼等领域。目前，存在多种方法制备微透镜，其中，光刻热熔，化学腐蚀等方法，工序复杂，可控性差，这些缺点是限制其发展的重大原因。而超快激光加工，由于超高的空间分辨率及“冷加工”的特性，广泛应用于精细加工技术领域。

传统激光制备膨胀结构一般都在几十微米左右，尺寸可调控范围较小；利用激光加工单层材料很难得到尺寸百微米级的透镜阵列。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用飞秒激光制备均匀、可控微透镜结构的方法，提高了微透镜阵列直径和高度可控范围。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用飞秒激光制备均匀、可控微透镜结构的方法，包括以下步骤：

1)将pmma颗粒溶于甲苯，配制pmma质量分数为15％-25％的溶液，涂敷在黑色亚克力板2上，固化得双层加工样片；双层加工样片上层的透明pmma层1作为膨胀层材料；下层的黑色亚克力板2作为吸收层材料；

2)搭建光路，光路包括飞秒激光器4，飞秒激光器4输出光经过第一反射镜5使光路转90°，反射光依次经过衰减片6、光圈7、半波片8、分光棱镜9、快门10、第二反射镜11、聚焦物镜12垂直照射在移动载物台13的加工工位上，飞秒激光器4、快门10、移动载物台13和电脑14连接，利用半波片8和分光棱镜9调节激光功率，同时电脑14通过快门10控制光路的通断，采用聚焦物镜12用于飞秒激光器4输出激光的聚焦；

3)利用电脑14调节飞秒激光器4输出激光，激光波长为800nm，重频为1khz，脉宽为120fs，脉冲数为1000-2500，激光功率为20-60mw，阵列间距400-600μm；

4)将步骤1)制备的双层加工样片固定在移动载物台13加工工位上，调节移动载物台13位置，使激光3聚焦于双层加工样片的下层黑色亚克力板2，制备微透镜阵列。

通过调节激光功率和阵列间距，能够调节微透镜阵列直径和高度。

本发明的有益效果：利用上层的透明pmma层1和下层的黑色亚克力板2的光吸收率差异，使得激光能量可以沉积到黑色亚克力板2，由黑色亚克力板2的光热作用和光化学作用产生的热应力梯度形成透镜结构；同时，沿激光3传播路线上，透明pmma层1可吸收少量的激光能量引起材料软化，有效减小表面约束力，同时使微透镜阵列结构不易破裂，本发明极大的提高了微透镜阵列直径和高度可控范围，能够获得直径和高度可控范围分别为100-500μm、20-300μm的微透镜阵列。

附图说明

图1为本发明双层加工样片的示意图。

图2为本发明光路的示意图。

图3为实施例1功率20mw、脉冲数为1500、间距为400μm的结果图。

图4为实施例2功率60mw、脉冲数为2000、间距为500um的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种利用飞秒激光制备均匀、可控微透镜结构的方法，包括以下步骤：

1)将pmma颗粒溶于甲苯，配制pmma质量分数为15％-25％的溶液，涂敷在2cm*2cm黑色亚克力板2上，固化得双层加工样片，如图1所示，上层的透明pmma层1具有小的能量吸收率，作为膨胀层材料；下层的黑色亚克力板2具有大的能量吸收率，作为吸收层；透明pmma层1的透光性较强，能量传递至黑色亚克力板2；被黑色亚克力板2吸收的能量引起材料的分解，透明pmma层1吸收的能量产生软化效应，通过激光参数的调节实现透明pmma层1的软化效应与黑色亚克力板2分解效应的平衡，实现膨胀结构的可控加工；

2)搭建光路，参照图2，光路包括飞秒激光器4，飞秒激光器4输出光经过第一反射镜5使光路转90°，反射光依次经过衰减片6、光圈7、半波片8、分光棱镜9、快门10、第二反射镜11、聚焦物镜12垂直照射在移动载物台13的加工工位上，飞秒激光器4、快门10、移动载物台13和电脑14连接，利用半波片8和分光棱镜9调节激光功率，同时电脑14通过快门10控制光路的通断，采用数值孔径为0.6的聚焦物镜12用于飞秒激光器4输出激光的聚焦；

3)利用电脑14调节飞秒激光器4输出激光，激光波长为800nm，重频为1khz，脉宽为120fs，脉冲数为1500，激光功率为20mw，阵列间距400μm；

4)将步骤1)制备的双层加工样片固定在移动载物台13加工工位上，调节移动载物台13位置，使激光3聚焦于双层加工样片的下层黑色pmma层2，制备微透镜阵列。

本实施例的效果：参照图3，本实施例得到直径和高度分别为149、43μm的微透镜阵列。

实施例2

将实施例1步骤3)中的激光功率设置为60mw，脉冲数2000，阵列间距为500μm；参照图4，本实施例可得到直径和高度分别为482、280μm的微透镜阵列。

实施例3

将实施例1步骤3)中的激光功率设置为40.8mw，脉冲数2500，阵列间距为450μm；可以得到直径和高度介于实施例1和实施例2的微透镜阵列。

技术特征：

技术总结
一种利用飞秒激光制备均匀、可控微透镜结构的方法，先将PMMA颗粒溶于甲苯，涂敷在黑色亚克力板上，固化得双层加工样片；然后搭建光路，光路包括飞秒激光器，飞秒激光器输出光经过第一反射镜使光路转90°，反射光依次经过衰减片、光圈、半波片、分光棱镜、快门、第二反射镜、聚焦物镜垂直照射在移动载物台的加工工位上，飞秒激光器、快门、移动载物台和电脑连接；再利用电脑调节飞秒激光器输出激光参数，将双层结构样片固定在移动载物台加工工位上，经飞秒激光照射，利用电脑控制移动载物台移动，本发明利用透明PMMA层和黑色亚克力板的光吸收率差异，使得膨胀区域与吸收区域的分离，使微透镜阵列结构不易破裂，提高了微透镜阵列直径和高度可控范围。

技术研发人员：王文君;李江;梅雪松;孙学峰;潘爱飞;崔健磊
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2017.11.08
技术公布日：2018.02.27