专利名称：利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法
技术领域：
本发明属于飞秒激光微纳加工光学器件领域，特别涉及利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，在硬质材料表面高效进行大规模准周期微透镜阵列的制备，其制备结果可作为一种高损伤阈值的匀光器件。
背景技术：
在高精度激光微纳加工及成像、光信息处理、激光驱动惯性约束核聚变及激光的医学临床应用等诸多领域里，对辐照光斑光强的均匀性都有着较高的要求。而通常激光器产生的激光束的空间强度分布都呈高斯型，因此，通过高斯光束来获得均匀光斑一直以来都是国内外研究的热点。目前普遍采用的是衍射光学元件，这种元件具有衍射效率高、光斑轮廓可调等特点，但存在设计复杂、加工困难、激光损伤阈值较低等不足。在之前的专利中，曾经提出利用飞秒激光湿法刻蚀的方法制作矩形或六边形均匀排布的大规模微透镜阵列作为一种匀光器件，但光源通过均匀排布的大规模微透镜阵列后会产生明显的的周期光场耦合叠加效应，影响匀光质量。且均匀排布的微透镜阵列制作效率有限，要制作一块阵列尺寸为厘米级的阵列需要几个甚至几十个小时的时间。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，利用飞秒激光独特的加工特性，结合传统化学刻蚀工艺，最终实现该匀光器件即大规模准周期微透镜阵列高效率、低成本的批量生产。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，包括以下步骤步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材固定于飞秒激光微纳精密加工系统上，选用脉冲重复频率为IOOHz到100kHz、脉冲宽度为30到150fs、波长为325到1064nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 3至0. 9的物镜聚焦在硬质材料表面；步骤二、每个激光脉冲会在靶材上产生一个光破坏区。调整精密加工平台的移动速度即调整相邻两个脉冲之间的作用距离，根据所需要加工的准周期微透镜阵列平均尺寸，控制精密加工平台移动靶材的速率，即可在靶材上得到不同间距的点阵阵列；步骤三、利用体积浓度为1%至10%的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为5-20分钟，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30-80摄氏度，加热时间为3-15分钟；步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即形成一块可作为高损伤阈值匀光器件的大规模准周期微透镜阵列模板成品。所述的作为靶材的硬质材料为6面抛光的石英玻璃或K9玻璃。所述的氢氟酸溶液指体积浓度为1%至10%的氢氟酸溶液，浓度不同会导致腐蚀速率与表面光滑度不同。由于氢氟酸对光破坏区的腐蚀速度远高于对其他区域的腐蚀速度，所以以光破坏区为中心会逐渐腐蚀出一个光滑的凹面结构，也即一个独立的凹面微透镜个体。所说的微透镜阵列为非规则形状准周期排布的微透镜阵列。本发明首先利用飞秒激光直接作用的方式在靶材表面加工一个光破坏区，之后利用化学刻蚀的方法以光破坏区为中心腐蚀出一个光滑的凹面结构，每一个凹面结构即为一个独立凹面微透镜个体。并且可以通过改变飞秒激光功率、化学腐蚀时间和光破坏区间距来控制每个准周期微透镜个体的尺寸和形貌。本发明的优点在于I)本发明的加工工艺非常高效，利用飞秒激光单脉冲作用与湿法刻蚀的有效结合，极大的提高了飞秒激光湿法刻蚀的效率，利用高重复频率飞秒激光快速扫描的方法，能够在I小时之内制备出多达100万个独立的准周期微透镜个体所构成的阵列，本发明适于制备大面积匀光器件，所制备的非规则微透镜阵列整体尺寸可达到几十厘米。2)本发明所制备的作为高损伤阈值匀光器件的大规模非规则微透镜阵列模板其透镜个体为负透镜形貌，可以避免正微透镜阵列在匀光过程中对高功率激光聚焦后所造成的空气击穿效应。3)本发明所制备的大规模准周期微透镜阵列与规则排布的矩形或六边形微透镜阵列模板相比，其匀光性具有明显优势。由于本发明中微透镜个体的非规则性，可以有效消除光源通过规则排布的大规模微透镜阵列模板后的周期光场耦合叠加效应，如图4所示。4)本发明所制备的非规则微透镜阵列其尺寸和形貌均人为可控，用不同的控制程序可以制备个体尺寸为2-100 u m的大规模准周期微透镜阵列。5)利用本发明提出的方法可制备表面光滑度极高的大规模准周期凹面微透镜阵列，其表面光滑程度与匀光效果明显优于机械加工等传统方法制备的微透镜阵列匀光器件。6)利用本发明提出的方法制备出的大规模准周期微透镜阵列可以进一步作为模板，通过压印复制技术进行大规模准周期凸面微透镜阵列的大批量复制制作。本发明所讲述的是一种将前沿飞秒激光加工工艺与传统化学刻蚀方法有效结合所得到的高效制备大规模准周期微透镜阵列的方法，该方法能够解决现有制备工艺难以获得高填充比的微透镜阵列匀光器件所带来的能量损失问题，能够在I小时之内制备出多达100万个独立的准周期微透镜个体所构成的阵列，适合制备大面积的微透镜阵列。本发明所制备的大规模准周期负透镜阵列作为匀光器件，可以避免正微透镜阵列模板在匀光过程中对高功率激光聚焦后所造成的空气击穿效应。由于微透镜个体的非规则性，可以有效消除匀光过程中产生的周期光场耦合叠加效应。相比于其他方法，本方法不论在效率、成本及尺寸与形貌控制等方面皆表现出明显的优势，为高性能微透镜阵列匀光器件能够进行实用化生产提供了一条可能的途径。
图1为飞秒激光微纳加工装置示意图。图2为制备完成的一块大规模准周期微透镜阵列模板的SEM图。
图3为利用本方法制备的准周期微透镜阵列匀光效果示意图。其中图a为匀光前原始光斑情况；图b为平均尺寸10 ii mX 10 ii m的准周期微透镜阵列匀光效果图；图c为平均尺寸15iimX15iim的准周期微透镜阵列匀光效果图；图d为平均尺寸20 y mX 20 y m的准周期微透镜阵列匀光效果图。图4为大规模准周期微透镜阵列模板与矩形及六边形规则排布微透镜阵列模板的匀光性能比较示意图；其中图a为均匀排布矩形微透镜阵列匀光效果图；图13为均匀排布六边形透镜阵列匀光效果图；图c为非规则排布的准周期微透镜阵列匀光效果图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细叙述。参照图1，实现本发明时，先要组装飞秒激光微纳加工装置，飞秒激光器I发出的光束经过可控光开关2，反射镜4和显微物镜5聚焦在靶材表面；其中可控光开关2控制激光的通断和照射时间，靶材6固定在三维精密移动平移台7和8上，通过计算机9控制三维移动平台7、8的精密位移来完成飞秒激光纳米加工，整个加工过程的图像由CXD 3拍摄并监控。实施例一利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，包括以下步骤步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、频率1kHz、波长为SOOnm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 5物镜聚焦在硬质材料表面；步骤二、根据所需要加工的非规则准周期微透镜个体平均尺寸，设定精密加工平台带动靶材移动的速率，使飞秒激光每隔一段距离在靶材表面作用I个脉冲，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上会以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区；具体为三维精密平移台8负责靶材的精密移动，其移动程序通过计算机9来控制。设定平移台移动速率为lOmm/s，由于每个脉冲作用之间有时间间隔，在此时间间隔内平移台会带动靶材移动IOu m的距离，再设定每行脉冲作用间隔距离为IOy m，所以最终会形成平均间隔为lOymXlOym的大规模非规则排列的准周期弹坑点阵，程序停止。步骤三、利用体积浓度为5%的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为15分钟左右；并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为80摄氏度，加热时间为10分钟；步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模准周期微透镜阵列的模板成品。其准周期微透镜个体平均尺寸为lOymXlOym。图2为实施例一制备得到的大规模准周期微透镜阵列样品SEM图，微透镜个体平均尺寸为10 u mX 10 u m。实施例二利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，包括以下步骤步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、频率为1kHz、波长为SOOnm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 45的物镜聚焦在硬质材料表面；步骤二、根据所需要加工的非规则准周期微透镜个体平均尺寸，设定精密加工平台带动靶材移动的速率，使飞秒激光每隔一段距离在靶材表面作用I个脉冲，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上会以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区；具体为三维精密平移台8负责靶材的精密移动，其移动程序通过计算机9来控制。设定平移台移动速率为20mm/s，由于每个脉冲作用之间有时间间隔，在此时间间隔内平移台会带动靶材移动20 y m的距离，再设定每行脉冲作用间隔距离为10 u m，所以最终会形成平均间隔为ZOymXlOym的大规模非规则排列的准周期弹坑点阵，程序停止。步骤三、利用体积浓度为2%的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为30分钟左右；并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为80摄氏度，加热时间为20分钟；步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模准周期微透镜阵列成品。其准周期微透镜个体平均尺寸为20 umXIOu m。实施例三利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，包括以下步骤步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材置于飞秒激光微纳加工装置上，选用脉冲宽度为30fs、频率为1kHz、波长为SOOnm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 5的物镜聚焦在硬质材料表面；步骤二、根据所需要加工的非规则准周期微透镜个体平均尺寸，设定精密加工平台带动靶材移动的速率，使飞秒激光每隔一段距离在靶材表面作用I个脉冲，由于飞秒激光特殊的加工特性，在靶材上会以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区；具体为三维精密平移台8负责靶材的精密移动，其移动程序通过计算机9来控制。设定平移台移动速率为25mm/s，由于每个脉冲作用之间有时间间隔，在此时间间隔内平移台会带动靶材移动25pm的距离，再设定每行脉冲作用间隔距离为25pm，所以最终会形成平均间隔为ZSymXZSym的大规模非规则排列的准周期弹坑点阵，程序停止。步骤三、利用体积浓度为5%的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为40分钟左右；并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为80摄氏度，加热时间为30分钟；步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模准周期微透镜阵列成品。其准周期微透镜个体平均尺寸为25 ^mX 25 Pm。对不同尺寸的大规模准周期微透镜阵列进行匀光测试，可看出其匀光效果随着微透镜个体平均尺寸的不同而产生一些变化，微透镜个体平均尺寸越小，其匀光效果越好。图3为利用本方法制备的准周期微透镜阵列匀光效果示意图。其中图a为匀光前原始光斑情况；图b为平均尺寸10 ii mX 10 ii m的准周期微透镜阵列匀光效果图；图c为平均尺寸15iimX15iim的准周期微透镜阵列匀光效果图；图d为平均尺寸20 y mX 20 y m的准周期微透镜阵列匀光效果图；将大规模准周期微透镜阵列与规则排布微透镜阵列的匀光效果进行比较，可看出大规模准周期微透镜阵列的匀光性能具有明显优势。图4为大规模准周期微透镜阵列与矩形及六边形规则排布微透镜阵列的匀光性能比较示意图。其中图a为矩形均匀排布微透镜阵列匀光效果图；图13为六边形均匀排布透镜阵列匀光效果图；图c为非规则排布的准周期微透镜阵列匀光效果图。
权利要求
1.利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，包括以下步骤步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材固定于飞秒激光微纳精密加工系统上，选用脉冲重复频率为 IOOHz到100kHz、脉冲宽度为30到150fs、波长为325到1200nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为O. 3至O. 9的物镜聚焦在硬质材料表面；步骤二、调整精密加工平台的移动速度即调整相邻两个脉冲之间的作用距离，根据所需要加工的准周期微透镜阵列平均尺寸，控制精密加工平台移动靶材的速率，即可在靶材上得到不同间距的点阵阵列；步骤三、利用体积浓度为1%至10%的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为5-20分钟，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30-80摄氏度，加热时间为3-15分钟；步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块可作为高损伤阈值匀光器件的大规模准周期微透镜阵列模板成品。
2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备大规模准周期微透镜阵列的方法，其特征在于，所述的作为靶材的硬质材料为6面抛光的石英玻璃或K9玻璃。
3.根据权利要求1所述的利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备大规模准周期微透镜阵列的方法，其特征在于，所述的氢氟酸溶液指体积浓度为1%至10%的氢氟酸溶液。
4.根据权利要求1所述的利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备大规模准周期微透镜阵列的方法，其特征在于，所说的微透镜阵列为非规则形状的准周期微透镜阵列。
全文摘要
利用飞秒激光湿法刻蚀技术制备大规模准周期微透镜阵列的方法，根据所需要加工的准周期微透镜个体平均尺寸，控制精密加工平台移动靶材的速率，飞秒激光每隔固定时间在靶材表面作用1个脉冲，在靶材上以飞秒激光脉冲作用焦点为中心产生一个光破坏区；利用体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，并且用超声波水浴加热辅助，将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即为一块大规模准周期微透镜阵列的模板成品；本发明具有高效率、低成本、微透镜个体形貌尺寸可控等优点，并且能够有效避免匀光过程中产生的激光聚焦空气击穿效应、周期光场耦合叠加效应等负面影响。
文档编号B23K26/00GK103018799SQ20121054843
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者陈烽, 边浩, 胡洋, 杨青, 杜广庆 申请人:西安交通大学