一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法与装置与流程

本发明涉及利用激光诱导前向转移技术(laserinducedforwardtransfer，简称lift)来制备微透镜阵列的工艺和装置，属于激光应用及微透镜制备技术领域，特别是涉及一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法与装置。

背景技术：

微透镜阵列(microlensesarray，简称mla)已广泛应用于光学传感器，3d显示器，发光二极管(led)和光伏电池等许多领域。当前，已开发出各种方法来制造mla，包括光刻，光刻胶回流，基于硅模板的微成型等。尽管已经成功简化这些技术的步骤，掩模或模具的制备仍然是一个耗时且可能成本很高的步骤，从而限制了整个过程的效率。随着增材制造工具的出现以及随之而来的小型定制化趋势的出现，这种情况尤为恶化。在这些情况下，能够构建无中间步骤的结构的直接写入技术(direct-writetechnologies，简称dwt)，如喷墨打印或激光微加工，变得越来越重要。但是，仍有一些缺点限制了dwt在微光学元件制造中的使用。例如，传统的喷墨印刷受到油墨流变学的限制，通常的工作粘度在1-50mpas范围内，这对大多数热固性聚合物在透明度或分散性方面没有足够的光学性能。在常见的激光加工技术中也会出现问题，例如激光膨胀或双光子聚合(2pp)，仅对于有限数量的材料才能获得高质量的微透镜，而控制透镜在目标表面上的定位仍然难以实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法与装置，在接收基板上的指定位置制造微透镜阵列，无需制备掩模，可以大大缩短小规模生产中的生产周期。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的装置，包括

激光器，所述激光器用于发射激光束；

光路调节模块，所述光路调节模块用于调整激光束的传递光路，光路调节模块具有光路进口和光路出口；以及

材料转移模块，所述材料转移模块包括第一xyz轴移动平台、安装在第一xyz轴移动平台的接收基片和位于光路出口下方的透明基片，所述接收基片平行设置在透明基片下方，所述透明基片能相对光路出口移动，透明基片的下端面设有凹槽，所述凹槽内设有吸收层，所述吸收层下方设有材料转移层。

上述装置至少具有以下有益效果：激光束经光路模块后，聚焦并通过透明基片，吸收层中被激光束照射的部分汽化，在吸收层内部形成气泡，推动材料转移层中的材料，材料滴落到接收基片，在接收基片上形成半球状的液滴，第一xyz轴移动平台移动，在接收基片上形成阵列状的液滴，液滴固化后形成微透镜阵列。本发明无需制备掩模，可以大大缩短小规模生产中的生产周期，并降低生产成本，尤其适合于实验室研究以及工业小规模试产。

根据本发明第一方面实施例所述的装置，所述光路调节模块包括依次连接的扩束镜、滤光片、扫描振镜和平场聚焦透镜。扫描振镜和第二xyz轴移动平台，使得激光束能以超高速度进行扫描并进行精确定位。

根据本发明第一方面实施例所述的装置，所述吸收层为钛膜、银膜或聚酰亚胺薄膜。

根据本发明第一方面实施例所述的装置，所述材料转移层为uv树脂层。

根据本发明第一方面实施例所述的装置，所述吸收层的厚度为30～60nm，所述材料转移层的厚度为5～20μm。吸收层在吸收激光光子时，因吸收层纳米级别的厚度会在瞬间产生高温气化并形成气泡，且不会在材料转移层内部有残留。吸收层吸收的热量使微米级别的材料转移层中的材料也会部分产生气化，产生的气泡膨胀会导致产生射流，材料转移滴在接收基片上。

根据本发明第一方面实施例所述的装置，还包括固化模块，所述固化模块为紫外光固化模块，所述固化模块的工作端竖直朝下。

根据本发明第一方面实施例所述的装置，还包括加热炉，所述加热炉用于加热接收基片上的材料，加热炉位于第一xyz轴移动平台和接收基片之间，透明基片安装在第二xyz轴移动平台。材料转移到接收基片，第二xyz轴移动平台将透明基片移开，打开加热炉，对接收基片上的材料作热处理，等材料稍作回流，然后在固化模块下固化，以形成纯净的微透镜阵列。

根据本发明的第二方面实施例，提供一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法，包括以下步骤，

1)将透明基片中具有保护层和材料转移层的一端朝下，透明基片平行设置在接收基片上方；

2)激光束经光路模块后，聚焦并通过透明基片，吸收层中被激光束照射的部分汽化，在吸收层内部形成气泡，推动材料转移层中的材料，材料滴落到接收基片，在接收基片上形成半球状的液滴；

3)第一xyz轴移动平台移动，在接收基片上形成阵列状的液滴，液滴固化后形成微透镜阵列。

上述方法至少具有以下有益效果：激光束经光路模块后，聚焦并通过透明基片，吸收层中被激光束照射的部分汽化，在吸收层内部形成气泡，推动材料转移层中的材料，材料滴落到接收基片，在接收基片上形成半球状的液滴，第一xyz轴移动平台移动，在接收基片上形成阵列状的液滴，液滴固化后形成微透镜阵列。本发明无需制备掩模，可以大大缩短小规模生产中的生产周期，并降低生产成本，尤其适合于实验室研究以及工业小规模试产。本发明采用的制作方法过程快速且可重复，可以通过调整激光器、扫描振镜、第一xyz轴移动平台的各项参数来控制所制备的微透镜阵列的各项尺寸。

根据本发明第二方面实施例所述的方法，重复步骤2)至步骤3)，将材料滴落已形成的微透镜上，液滴固化后形成新的微透镜阵列，直到所得微透镜阵列达到所需的折射率。在已形成的微透镜上覆盖相同折射率的材料，通过多次转移控制微透镜的形貌，可获得不同折射率的微透镜阵列。本发明无需制备掩模，可以大大缩短小规模生产中的生产周期，并降低生产成本，尤其适合于实验室研究以及工业小规模试产。

根据本发明的第三方面实施例，一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法，包括以下步骤，

1)将透明基片中具有保护层和材料转移层的一端朝下，透明基片平行设置在接收基片上方；

2)激光束经光路模块后，聚焦并通过透明基片，吸收层中被激光束照射的部分汽化，在吸收层内部形成气泡，推动材料转移层中的材料，材料滴落到接收基片，在接收基片上形成半球状的液滴；

3)第一xyz轴移动平台移动，在接收基片上形成阵列状的液滴，液滴固化后形成微透镜阵列；

4)更换透明基片，透明基片中材料转移层的折射率与之前的材料转移层的折射率不同，激光束经光路模块后，聚焦并通过透明基片，吸收层中被激光束照射的部分汽化，在吸收层内部形成气泡，推动材料转移层中的材料，材料滴落已成形的微透镜上，液滴固化后形成新的微透镜阵列；

5)重复步骤4)，直至微透镜阵列具有所需的折射率梯度。

上述方法至少具有以下有益效果：在已形成的微透镜上覆盖不同折射率的材料，形成新的微透镜阵列，直到微透镜阵列具有所需的折射率梯度。本发明无需制备掩模，可以大大缩短小规模生产中的生产周期，并降低生产成本，尤其适合于实验室研究以及工业小规模试产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明实施例中装置的结构示意图；

图2是本发明实施例激光诱导前向转移的原理示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的装置，包括激光器1、光路调节模块以及材料转移模块，所述激光器1用于发射激光束17；所述光路调节模块用于调整激光束17的传递光路，光路调节模块具有光路进口和光路出口；所述材料转移模块包括第一xyz轴移动平台11、安装在第一xyz轴移动平台11的接收基片9和位于光路出口下方的透明基片6，所述接收基片9平行设置在透明基片6下方，所述透明基片6能相对光路出口移动，透明基片6的下端面设有凹槽，所述凹槽内设有吸收层7，所述吸收层7下方设有材料转移层8。透明基片6通过夹具安装在z轴移动平台或者第二xyz轴移动平台12上，透明基片6能沿z轴方向移动，用以控制透明基片6对激光束17的离焦距离。

当然，还包括控制激光器1、光路调节模块、材料转移模块和固化模块的工作状态和参数的计算机15。

所述光路调节模块包括依次连接的扩束镜2、滤光片3、扫描振镜4和平场聚焦透镜5。激光束经光路进口进入扩束镜2，激光束17经过平场聚焦透镜5后从光路出口射出，激光束17经扩束镜2和滤光片3后，可以去除光斑的杂质，之后经扫描振镜4和平场聚焦透镜5将光路调整到指定位置。扫描振镜4和第二xyz轴移动平台12，使得激光束17能以超高速度进行扫描并进行精确定位。

透明基片6可用石英玻璃，亚克力板或pdms等高透光率材料。吸收层7的制备可使用物理气相沉积法或化学气相沉积法，吸收层7的厚度为30～60nm。优选的，吸收层7的厚度为30、40或50nm。材料转移层8可通过超声混合均匀，然后在制作好的吸收层7上面小心的刮上一层，材料转移层8的厚度为5～20μm。优选的，材料转移层8的厚度为5、10、15或20μm。

优选地，所述吸收层为钛膜、银膜或聚酰亚胺薄膜。

优选地，材料转移层8为uv树脂层。

优选地，固化模块14为紫外光固化模块，所述固化模块14的工作端竖直朝下。本发明采用光固化原理生成成品，简单方便且成本低。

优选地，所述加热炉10用于加热接收基片9上的材料，加热炉10位于第一xyz轴移动平台11和接收基片9之间，透明基片6安装在第二xyz轴移动平台12。透明基片6通过夹具13安装在第二xyz轴移动平台12上，第二xyz轴移动平台12安装在第一xyz轴移动平台11上。材料转移到接收基片9，第二xyz轴移动平台12将透明基片6移开，打开加热炉10，对接收基片9上的材料作热处理，等材料稍作回流，然后在固化模块14下固化，以形成纯净的微透镜阵列。

激光束17经光路模块后，聚焦并通过透明基片6，吸收层7中被激光束17照射的部分汽化，在吸收层7内部形成气泡，推动材料转移层8中的材料，材料滴落到接收基片9，在接收基片9上形成半球状的液滴，第一xyz轴移动平台11移动，在接收基片9上形成阵列状的液滴，液滴固化后形成微透镜阵列。本发明无需制备掩模，可以大大缩短小规模生产中的生产周期，并降低生产成本，尤其适合于实验室研究以及工业小规模试产。本发明通过吸收层7与材料转移层8的合理运用，保证产品质量。本发明采用的制作方法过程快速且可重复，可以通过调整激光器1、扫描振镜4、第一xyz轴移动平台的各项参数来控制所制备的微透镜阵列的各项尺寸。

以下以吸收层7为钛膜、材料转移层8为uv树脂层、固化模块14为紫外光固化模块以及透明基片6选用石英玻璃为例，具体说明。

实施例一，

一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法，包括以下步骤，

1)确定所需要制备的微透镜阵列的各项尺寸要求，调整激光器1的重复频率，脉冲宽度，功率与扫描振镜4的扫描速度，扫描路线等各项参数；

2)在透明基片6上制备一层钛膜，用作保护层和吸收层7，并在钛膜下表面制备一层可紫外线固化的uv树脂层，uv树脂层作为转移材料制备微透镜阵列；

3)将透明基片6具有钛膜和uv树脂层的一边朝下，平行于接收基片9放置并由夹具13固定，通过计算机15控制第二xyz轴移动平台12来调整离焦距离，通过计算机15控制第一xyz轴移动平台11和第二xyz轴移动平台12来调整透明基片6和接收基片9之间的接收距离，以制备所需要的微透镜阵列；

4)调整好参数后，激光器1发出的激光束17经过扩束镜2、滤光片3后，获得较好的光斑质量，经过扫描振镜4改变光路后，最终通过平场聚焦透镜5后聚焦到保护层上方；激光束17通过透明基片6，被钛膜吸收后，导致照射部位部分汽化，在钛膜内部形成气泡，并且随着气泡不断的膨胀，会推动周围uv树脂层的uv树脂冲向接收基片9；并在透明基片6和接收基片9之间形成液滴，第一xyz轴移动平台11移动，最终形成微半球阵列，第一xyz轴移动平台11的移动可以通过手动控制也可以通过计算机15控制；

5)通过第二xyz轴移动平台12将透明基片6移开，将转移好的微半球阵列平整放置，打开加热炉10作热处理，等材料稍作回流，将透明基片6移动到紫外光固化模块下方，在紫外光16下固化，以形成纯净的mla，紫外光16的波长为365nm。

实施例二，如图2所示，

一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法，包括以下步骤，

1)确定所需要制备的微透镜阵列的各项尺寸要求，调整激光器1的重复频率，脉冲宽度，功率与扫描振镜4的扫描速度，扫描路线等各项参数；

2)在透明基片6上制备一层钛膜，用作保护层和吸收层7，并在钛膜下表面制备一层可紫外线固化的uv树脂层，uv树脂层作为转移材料制备微透镜阵列；

3)将透明基片6具有钛膜和uv树脂层的一边朝下，平行于接收基片9放置并由夹具13固定，通过计算机15控制第二xyz轴移动平台12来调整离焦距离，通过计算机15控制第一xyz轴移动平台11和第二xyz轴移动平台12来调整透明基片6和接收基片9之间的接收距离，以制备所需要的微透镜阵列；

4)调整好参数后，激光器1发出的激光束17经过扩束镜2、滤光片3后，获得较好的光斑质量，经过扫描振镜4改变光路后，最终通过平场聚焦透镜5后聚焦到保护层上方；激光束17通过透明基片6，被钛膜吸收后，导致照射部位部分汽化，在钛膜内部形成气泡，并且随着气泡不断的膨胀，会推动周围uv树脂层的uv树脂冲向接收基片9；并在透明基片6和接收基片9之间形成液滴，最终形成微半球阵列；

5)通过第二xyz轴移动平台12将透明基片6移开，将转移好的微半球阵列平整放置，打开加热炉10作热处理，等材料稍作回流，将透明基片6移动到紫外光固化模块下方，在紫外光16下固化，以形成纯净的mla，紫外光16的波长为365nm。

6)重复步骤4)与步骤5)，将uv树脂转移到之前已经形成的mla上方，并在紫外光16下固化，形成新的mla形貌，直到所得mla达到所需要的折射率。

实施例三，如图2所示，

一种通过激光诱导前向转移制备微透镜阵列的方法，包括以下步骤，

1)确定所需要制备的微透镜阵列的各项尺寸要求，调整激光器1的重复频率，脉冲宽度，功率与扫描振镜4的扫描速度，扫描路线等各项参数；

2)在透明基片6上制备一层钛膜，用作保护层和吸收层7，并在钛膜下表面制备一层可紫外线固化的uv树脂层，uv树脂层作为转移材料制备微透镜阵列；

3)将透明基片6具有钛膜和uv树脂层的一边朝下，透明基片6平行于接收基片9放置并由夹具13固定，通过计算机15控制第二xyz轴移动平台12来调整离焦距离，通过计算机15控制第一xyz轴移动平台11和第二xyz轴移动平台12来调整透明基片6和接收基片9之间的接收距离，以制备所需要的微透镜阵列；

4)调整好参数后，激光器1发出的激光束17经过扩束镜2、滤光片3后，获得较好的光斑质量，经过扫描振镜4改变光路后，最终通过平场聚焦透镜5后聚焦到保护层上方；激光束17通过透明基片6，被钛膜吸收后，导致照射部位部分汽化，在钛膜内部形成气泡，并且随着气泡不断的膨胀，会推动周围uv树脂层的uv树脂冲向接收基片9；并在透明基片6和接收基片9之间形成液滴，最终形成微半球阵列；

5)通过第二xyz轴移动平台12将透明基片6移开，将转移好的微半球阵列平整放置，打开加热炉10作热处理，等材料稍作回流，将透明基片6移动到紫外光固化模块下方，在紫外光16下固化，以形成纯净的mla，紫外光16的波长为365nm。

6)将不同折射率的uv树脂层制备在新的透明基片6上，并由夹具13装夹，激光通过扩束镜2、滤光片3、扫描振镜4、平场聚焦透镜5等光学器件和新的透明基片6照射至钛膜上方，并将不同折射率的uv树脂层转移至同一片透明基片6上，且每个液滴的位置与之前转移的位置完全一致，经热处理稍作回流后，在紫外光16下固化，以形成新形貌且具有梯度折射率的mla；

7)重复步骤6，直至形成具有想要的折射率梯度的mla。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。