一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法与流程

本发明涉及光学微纳元器件加工技术领域，更具体地说，涉及一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法。

背景技术：

光学微纳元器件是制造小型光电子系统的关键元件，其具有体积小、质量轻和造价低等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。

在很多工程应用领域，从现代国防科学技术，到普通的工业领域，例如光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学以及光计算技术等领域中，光学微纳元器件都显示出其越来越重要的应用价值。

但是，玻璃材质的光学微纳元器件的制作一直是本领域的技术难题。玻璃因其具有优异的光学特性，性能稳定，并且可以在高温高压等复杂环境中使用，始终无法被塑料材质的产品完全替代。

传统的方法是在玻璃表面制作微型结构，不但工艺复杂以及生产效率低，而且成本极高。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法，技术方案如下：

一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法，所述方法包括：

依据目标微纳结构的形状及尺寸，确定每一级模压环节的温度场以及每一级滚压模具的形状和尺寸；

将每一级的滚压模具固定在预设空间位置上；

控制每一级的滚压模具在相应的温度场下，逐级对待加工玻璃进行加工；

其中，第一级滚压模具加工后的待加工玻璃表面形成有初级光学微纳结构，下一级滚压模具对上一级滚压模具形成的光学微纳结构进行冷却及修正补偿，直至在所述待加工玻璃上形成定型的目标微纳结构。

可选的，在上述方法中，所述依据目标微纳结构的形状及尺寸，确定每一级模压环节的温度场以及每一级滚压模具的形状和尺寸，包括：

通过仿真实验，在可以获得所述目标微纳结构的基础上，获取温度场变化规律和微纳结构变形规律；

基于所述温度场变化规律，确定每一级模压环节的温度场；

基于所述温度场变化规律和所述微纳结构变形规律，确定第一级滚压模具的形状和尺寸；

基于上一级滚压模具加工的微纳结构和下一级模压环节的温度场，结合所述微纳结构变形规律，确定下一级滚压模具的形状和尺寸。

可选的，在上述方法中，所述控制每一级的滚压模具在相应的温度场下，逐级对待加工玻璃进行加工，包括：

将所述待加工玻璃固定在移动平台上；

将所述待加工玻璃加热至玻璃转化点温度tg以上；

控制所述移动平台带动所述待加工玻璃向某一固定方向进行运动，以带动每一级滚压模具在所述待加工玻璃表面进行旋转加工；

其中，第一级滚压模具加工后的待加工玻璃表面形成有初级光学微纳结构，下一级滚压模具对上一级滚压模具形成的光学微纳结构进行冷却及修正补偿，直至在所述待加工玻璃上形成定型的目标微纳结构。

可选的，在上述方法中，所述滚压模具中设置有高频感应线圈。

可选的，在上述方法中，所述将所述待加工玻璃加热至玻璃转化点温度tg以上，包括：

采用非接触红外线加热器，对所述待加工玻璃进行预加热；

启动所述高频感应线圈对滚压模具进行加热，使所述待加工玻璃与所述滚压模具接触部位的温度达到玻璃转化点温度tg以上。

可选的，在上述方法中，所述将所述待加工玻璃加热至玻璃转化点温度tg以上，还包括：

在所述移动平台背离所述待加工玻璃的一侧设置加热板，对所述待加工玻璃进行加热处理。

可选的，在上述方法中，在惰性气体的环境下对所述待加工玻璃进行加工处理。

可选的，在上述方法中，所述惰性气体至少为氮气。

可选的，在上述方法中，通过控制冷却气体的流量，以控制每一级模压环节的温度场。

可选的，在上述方法中，所述待加工玻璃为低熔点玻璃。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法，依据目标微纳结构的形状及尺寸，确定每一级模压环节的温度场以及每一级滚压模具的形状和尺寸；将每一级的滚压模具固定在预设空间位置上；控制每一级的滚压模具在相应的温度场下，逐级对待加工玻璃进行加工；其中，第一级滚压模具加工后的待加工玻璃表面形成有初级光学微纳结构，下一级滚压模具对上一级滚压模具形成的光学微纳结构进行冷却及修正补偿，直至在所述待加工玻璃上形成定型的目标微纳结构。

该方法采用多级模压的方式进行滚压和冷却及修正补偿，不但可以得到高精度的微纳结构，且可以在玻璃表面批量制作微纳结构，工艺简单，加工周期短且成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种加工装置框架示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法的流程示意图。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种加工装置框架示意图。

所述方法包括：

s101：依据目标微纳结构的形状及尺寸，确定每一级模压环节的温度场以及每一级滚压模具的形状和尺寸。

在该步骤中，通过仿真实验，在可以获得所述目标微纳结构的基础上，获取温度场变化规律和微纳结构变形规律；

基于所述温度场变化规律，确定每一级模压环节的温度场；

基于所述温度场变化规律和所述微纳结构变形规律，确定第一级滚压模具的形状和尺寸；

基于上一级滚压模具加工的微纳结构和下一级模压环节的温度场，结合所述微纳结构变形规律，确定下一级滚压模具的形状和尺寸。

也就是说，基于滚动热压成型装置而言，不同滚压模具的工作温度差距较大，所接触的玻璃温度也不同。

在本申请中，考虑到待加工玻璃与模具材料具有不同热膨胀系数以及表面微纳结构对成型精度的要求，在设计每一级滚压模具时，必须考虑热变形带来的英雄。

即，各级滚压模具并不能使用相同的结构形状，只能是具有相似的表面微结构，微结构的尺寸及特征需要根据工作温度及所接触待加工玻璃的温度进行修正。否则，下一级滚压模具有可能因为尺寸不匹配，而破坏上一级滚压模具加工出来的微纳结构。

因此，在本申请，首先进行升温测试，通过仿真模拟以测温装置的边界条件补充，得到第一级模压环节的温度场，另外根据外部实验获得的待加工玻璃的材料属性，调整温度和压力等其它加工参数，使其达到模压条件。

然后进行热位移耦合分析，通过仿真模拟获得模压结构的真实形貌，与实验滚压得到的结构进行对比，优化补充边界条件，完善仿真模拟，进而可以推测出此环节内的形成目标微纳结构的变形规律。

那么根据上一级滚压模具加工的微纳结构和下一级模压环节的温度场，结合所述微纳结构变形规律，就可以确定下一级滚压模具的形状和尺寸。

s102：将每一级的滚压模具固定在预设空间位置上。

在该步骤中，所述滚压模具的材质需为热膨胀系数小，在高温受压下不易变形且不易磨损的材质。并且，要求在模压过程中，与待加工玻璃不产生粘连。

在本申请中，滚压模具采用双支承方式，并配备电控气缸，用于调节滚压模具与待加工玻璃之间的距离，由此控制滚压压力大小。

滚压模具及支承置于高精度位移平台上，可整体精确调整滚压模具的空间位置，使滚压模具与上一级模压环节得到的微纳结构可以精确对准匹配。

s103：控制每一级的滚压模具在相应的温度场下，逐级对待加工玻璃进行加工。其中，第一级滚压模具加工后的待加工玻璃表面形成有初级光学微纳结构，下一级滚压模具对上一级滚压模具形成的光学微纳结构进行冷却及修正补偿，直至在所述待加工玻璃上形成定型的目标微纳结构。

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法的流程示意图。

步骤s103：控制每一级的滚压模具在相应的温度场下，逐级对待加工玻璃进行加工，具体为：

s104：将所述待加工玻璃1固定在移动平台10上。

s105：将所述待加工玻璃1加热至玻璃转化点温度tg以上。

在该步骤中，采用非接触红外线加热器2，对所述待加工玻璃1进行预加热；

启动所述高频感应线圈4对滚压模具进行加热，使所述待加工玻璃1与所述滚压模具接触部位的温度达到玻璃转化点温度tg以上。

在所述移动平台10背离所述待加工玻璃1的一侧设置加热板9，对所述待加工玻璃1进行加热处理。

s106：控制所述移动平台10带动所述待加工玻璃1向某一固定方向进行运动，以带动每一级滚压模具在所述待加工玻璃1表面进行旋转加工。

其中，第一级滚压模具3加工后的待加工玻璃1表面形成有初级光学微纳结构，下一级滚压模具对上一级滚压模具形成的光学微纳结构进行冷却及修正补偿，直至在所述待加工玻璃上形成定型的目标微纳结构。

在该实施例中，通过将待加工玻璃1加热至玻璃转化点温度tg以上，例如转化点tg和融化点ts之间，即第一级模压环节的温度场，用于完成微纳结构的初步成型。

之后，在第二级模压环节中，将温度降低至tg左右，是为了防止初级微纳结构在冷却至tg温度附近时，因结构松弛和残余应力等影响产生大变形。

之后，逐级进行降温处理，即后面的滚压环节，主要是实现冷却保形以及修正补偿，防止微纳结构回弹变形。

根据平面玻璃热压的冷却经验，在速度较低的滚动热压系统中，本身热量释放较快，预计级数小于5。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图2所示，所述滚压模具中设置有高频感应线圈4。

通过热辐射方式对滚压模具进行加热，滚压模具再将接触的待加工玻璃区域进行加热。

图2中通过温度指示条7进行温度参数获取。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图2所示，在惰性气体的环境下对所述待加工玻璃1进行加工处理。

例如，所述惰性气体为氮气。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图2所示，通过控制冷却气体8的流量，以控制每一级模压环节的温度场。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述待加工玻璃1为低熔点玻璃。

该待加工玻璃1的软化点温度约为500℃，可以使加热冷却循环时间短，有利于滚动热压快速成形。

通过上述描述可知，本发明提供的一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法通过协调设定各级滚压环节的温度、压印力、模具形状，完成滚动热压过程，并制定误差补偿与控制策略，最终得到质量优异的玻璃微结构。具有工艺操作简单、加工周期短、成本低以及精度高等优点，能够很好的满足玻璃微纳结构阵列批量生产的需求。

基于本发明上述全部实施例，下面以一个具体实施方式进行示例说明：

选用日本旭硝子产玻璃，型号asahi，转化点温度tg为510℃，待加工玻璃长500mm，宽30mm，厚3mm，计算待加工玻璃加热至玻璃转化点温度tg所需要的热量。

选用非接触红外线加热器的功率为500w，调整非接触红外线加热器与待加工玻璃之间的距离为35mm。

设计目标微纳结构形状为“v”字形，底边宽50微米，高度35微米。

根据上述条件，通过仿真实验，在可以获得所述目标微纳结构的基础上，获取温度场变化规律和微纳结构变形规律。

基于所述温度场变化规律，确定每一级模压环节的温度场。

基于所述温度场变化规律和所述微纳结构变形规律，确定第一级滚压模具的形状和尺寸。

基于上一级滚压模具加工的微纳结构和下一级模压环节的温度场，结合所述微纳结构变形规律，确定下一级滚压模具的形状和尺寸。

在氮气惰性气体氛围下，将待加工玻璃固定在移动平台上，启动非接触红外加热器对待加工玻璃进行预加热。

启动第一级滚压模具中的高频感应线圈，对第一级滚压模具进行加热，使与其接触的玻璃温度达到玻璃转化点温度tg以上。

打开冷却气流阀及底部加热板，启动移动平台控制器，使移动平台开始运动，带动各级滚压模具旋转，第一级滚压模具加工后的待加工玻璃表面形成有初级光学微纳结构，下一级滚压模具对上一级滚压模具形成的光学微纳结构进行冷却及修正补偿，直至在所述待加工玻璃上形成定型的目标微纳结构。

以上对本发明所提供的一种在玻璃表面连续批量制作微纳结构的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。