专利名称：一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法
技术领域：
本发明涉及微纳结构与器件制备和飞秒激光微纳加工领域，特别涉及ー种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法。
背景技术：
自然界中的昆虫具有不同于人类眼睛的视觉成像系统。昆虫复眼由KT30000个小眼睛组成，小眼尺寸为IOunTMOum,它们均匀的排列在半球状的眼球上，每个小眼睛能够単独成像。由于这些小眼睛呈曲面排布，它们独立接受一定角度的光线，导致复眼的视角范围非常广；同时复眼对于动态目标的捕捉速度要远远快于单眼成像系统。这些独特的光学性能在エ业、医学与军事领域都有着潜在的应用，引起了各国科学家的广泛关注。到目前为止，大多数已发表的研究成果都是平面复眼结构，采用激光直写加工和光刻エ艺在曲面上制作复杂的微透镜结构是非常困难的，通常采用平面微透镜阵列与小孔阵列相结合制备平面复眼结构，但是这种平面结构限制了复眼的视角不可能很大。为了减小器件尺寸以及扩 大视角，微透镜阵列必须采用曲面排列方式。经过对现有技术文献的调研发现，目前实现了曲面排列的微透镜阵列的制备方法主要有激光直写光刻法、软刻蚀法、溶胶-凝胶法以及弹性模微透镜再铸模エ艺。这些加工方法普遍需要昂贵的加工设备、较长的加工时间以及复杂的加工エ序，导致成本居高不下，同时制作出的曲面复眼结构精度不高，结构參数不能灵活调控。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明目的在于提供一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，利用飞秒激光辅助的化学湿法刻蚀エ艺，结合平面浇铸与热机械变形エ艺，实现了复眼结构微透镜阵列的高重复性、低成本批量生产，同时相关參数灵活可调。为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样解决的一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，包括以下步骤步骤一、选取用于制备微透镜阵列模板的硬质材料；步骤ニ、将用于制备微透镜阵列模板的硬质材料固定在三维精密位移台上，选用脉冲宽度为2(T200fs、波长为325 1200nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 3^0. 9的物镜聚焦在硬质材料表面；步骤三、超短脉冲激光单脉冲能量10nr5mJ，重复频率IOHz IOOKHz，使超短脉冲激光作用于材料表面，配合三维精密位移台的移动，烧蚀出所需的弹坑阵列；步骤四、将烧蚀出弹坑阵列的硬质材料置于体积浓度为39^15%的氢氟酸稀释液中进行腐蚀，腐蚀时间为30mirTl50min，制备微透镜阵列模板；辅以23°C条件下的水浴加热，并依次经过丙酮、无水こ醇和去离子水清洗，清洗时间各为3mirT5min，并干燥；步骤五、采用平面浇铸エ艺将0. 08g/m广0. 20g/ml的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的氯仿溶液均匀涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脱摸，薄膜厚度控制在 120unT200um 之间；步骤六、将ー个直径lmnT20mm，表面光滑的小球加热到80°C 160°C，用球冠对PMMA薄膜的背面进行均匀挤压，直到薄膜包覆住半球，形成半球壳状结构，自然冷却到室温分离小球，即可得到复眼结构微透镜阵列。所说的用于制备微透镜阵列模板的硬质材料为六面抛光的石英玻璃或K9玻璃。所说的微透镜阵列模板为六边形排布的凹透镜阵列。所说的PMMA的氯仿溶液为均匀稳定无气泡的溶液，制备的微透镜阵列PMMA薄膜为透明厚薄均匀的凸透镜阵列薄膜。所说的表面光滑的小球为金属或玻璃材质的均匀小球。
所说的热机械变形エ艺是将加热小球置于薄膜无结构的一面上，通过球冠均匀挤压薄膜，让薄膜和小球相对运动，产生热变形，形成半球壳状的结构。本发明利用物镜将一束飞秒激光聚焦在材料表面烧蚀出弹坑阵列，采用氢氟酸稀释溶液腐蚀得到微透镜阵列模板，通过平面浇铸エ艺得到PMMA材质的微透镜阵列薄膜，最后通过热机械变形エ艺实现复眼结构微透镜阵列的制备本发明的优点在于(I)本发明利用飞秒激光辅助的湿法刻蚀エ艺制备微透镜阵列模板，具有制备エ艺简单，加工尺寸范围大，精度高的特点，从而能够灵活调控复眼结构微透镜阵列的表面小眼尺寸与数量。(2)本发明利用平面浇铸エ艺制备的PMMA材质的微透镜阵列薄膜，具有制备エ艺简单，成本低，效率高，质量好的特点，同时PMMA材质易于热变形加工，可以方便的做成复杂的曲面形状。(3)本发明利用热机械变形エ艺制备复眼结构微透镜阵列，具有制备エ艺简单，灵活高效，不需要复杂的加工设备等特点，成品机械性能与光学性能均能满足实际应用需求。
图I为本发明ー种新型的复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法的飞秒激光加工装置图。图2为制备得到的复眼结构微透镜阵列的SEM图。图3为制备得到的复眼结构微透镜阵列的光学性能测试图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细叙述。參照图1，实现本发明时，先要组装光路，光路由激光加载系统和样品夹持系统依次连接而成，激光加载系统由飞秒激光器I和可控光开关2、反射镜4和显微物镜5组成。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聚焦在硬质材料表面；其中可控光开关2控制激光的通断和照射时间，硬质材料由样品夹持系统6夹持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和8的精密位移来完成飞秒激光对微透镜阵列光束整形器的制备，整个加工过程的图像由CXD 3拍摄并监控。实施例一
步骤一、选取用于制备微透镜阵列模板的硬质材料K9玻璃；步骤ニ、将用于制备微透镜阵列模板的硬质材料固定在三维精密位移台上，选用脉冲宽度为30fs、波长为800nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 3物镜聚焦在硬质材料表面；步骤三、超短脉冲激光单脉冲能量2. 5uJ,重复频率IKHz，使超短脉冲激光作用于材料表面，配合三维精密位移台的移动，烧蚀出所需的弹坑阵列；步骤四、将烧蚀出弹坑阵列的硬质材料置于体积浓度为3%的氢氟酸稀释液中进行腐蚀，腐蚀时间120分钟，制备微透镜阵列模板；辅以超声波振荡水浴加热，加热温度为23°C，形成六边形的微透镜，制得的微透镜阵列模板分别用丙酮、无水こ醇和去离子水清洗，清洗时间各为3min，并干燥。
步骤五、采用平面浇铸エ艺将0. 085g/ml的PMMA的氯仿溶液均匀涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脱模，薄膜厚度为120um;步骤六、将ー个直径3mm，表面光滑的小球加热到100°C，用球冠对PMMA薄膜的背面进行均匀挤压，直到薄膜包覆住半球，形成半球壳状结构。自然冷却到室温分离小球，即可得到复眼结构微透镜阵列。參照图2所示，为制备得到的复眼结构微透镜阵列的SEM图。參考图3所示，为制备得到的复眼结构微透镜阵列的光学性能测试图，无论在球壳顶部还是边缘，微透镜均能清晰成像。实施例ニ步骤一、选取用于制备微透镜阵列模板的硬质材料K9玻璃；步骤ニ、将用于制备微透镜阵列模板的硬质材料固定在三维精密位移台上，选用脉冲宽度为50む、波长为400nm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；步骤三、超短脉冲激光单脉冲能量5uJ，重复频率IKHz，使超短脉冲激光作用于材料表面，配合三维精密位移台的移动，烧蚀出所需的弹坑阵列；步骤四、将烧蚀出弹坑阵列的硬质材料置于体积浓度为5%的氢氟酸稀释液中进行腐蚀，腐蚀时间90分钟，制备微透镜阵列模板；辅以超声波振荡水浴加热，加热温度为23°C，形成六边形的微透镜。制得的微透镜阵列模板分别用丙酮、无水こ醇和去离子水清洗，清洗时间各为4min，并干燥。步骤五、采用平面浇铸エ艺将0. 10g/ml的PMMA的氯仿溶液均匀涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脱模,薄膜厚度为140um ；步骤六、将ー个直径5mm，表面光滑的小球加热到120°C，用球冠对PMMA薄膜的背面进行均匀挤压，直到薄膜包覆住半球，形成半球壳状结构。自然冷却到室温分离小球，即可得到复眼结构微透镜阵列。实施例三步骤一、选取用于制备微透镜阵列模板的硬质材料K9玻璃；步骤ニ、将用于制备微透镜阵列模板的硬质材料固定在三维精密位移台上，选用脉冲宽度为lOOfs、波长为325nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 9物镜聚焦在硬质材料表面；
步骤三、超短脉冲激光单脉冲能量10uJ，重复频率lKHz，使超短脉冲激光作用于材料表面，配合三维精密位移台的移动，烧蚀出所需的弹坑阵列；步骤四、将烧蚀出弹坑阵列的硬质材料置于体积浓度为10%的氢氟酸稀释液中进行腐蚀，腐蚀时间60分钟，制备微透镜阵列模板；辅以超声波振荡水浴加热，加热温度为23°C，形成六边形的微透镜；制得的微透镜阵列模板分别用丙酮、无水こ醇和去离子水清洗，清洗时间各为5min，并干燥。步骤五、采用平面浇铸エ艺将0. 15g/ml的PMMA的氯仿溶液均匀涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脱模，薄膜厚度为150um ； 步骤六、将ー个直径10mm，表面光滑的小球加热到140°C，用球冠对PMMA薄膜的背面进行均匀挤压，直到薄膜包覆住半球，形成半球壳状结构。自然冷却到室温分离小球，即可得到复眼结构微透镜阵列。
权利要求
1.一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、选取用于制备微透镜阵列模板的硬质材料； 步骤二、将用于制备微透镜阵列模板的硬质材料固定在三维精密位移台上，选用脉冲宽度为2(T200fs、波长为325 1200nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0. 3^0. 9的物镜聚焦在硬质材料表面； 步骤三、超短脉冲激光单脉冲能量10nr5mJ，重复频率IOHz IOOKHz，使超短脉冲激光作用于材料表面，配合三维精密位移台的移动，烧蚀出所需的弹坑阵列； 步骤四、将烧蚀出弹坑阵列的硬质材料置于体积浓度为39T15%的氢氟酸稀释液中进行腐蚀，腐蚀时间为30mirTl50min，制备微透镜阵列模板；辅以23°C条件下的水浴加热，并依次经过丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，清洗时间各为3mirT5min，并干燥； 步骤五、采用平面浇铸工艺将0. 08g/mr0. 20g/ml的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的氯仿溶液均匀涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脱模，薄膜厚度控制在120um 200um 之间； 步骤六、将一个直径lmnT20mm，表面光滑的小球加热到80°C 160°C，用球冠对PMMA薄膜的背面进行均匀挤压，直到薄膜包覆住半球，形成半球壳状结构，自然冷却到室温分离小球，即可得到复眼结构微透镜阵列。
2.根据权利要求I所述的一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，其特征在于，所述的用于制备微透镜阵列模板的硬质材料为六面抛光的石英玻璃或K9玻璃。
3.根据权利要求I所述的一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，其特征在于，所说的微透镜阵列模板为六边形排布的凹透镜阵列。
4.根据权利要求I所述的一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，其特征在于，所说的PMMA的氯仿溶液为均匀稳定无气泡的溶液，制备的微透镜阵列PMMA薄膜为透明厚薄均匀的凸透镜阵列薄膜。
5.根据权利要求I所述的一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，其特征在于，所说的表面光滑的小球为金属或玻璃材质的均匀小球。
全文摘要
一种复眼结构微透镜阵列的微纳制备方法，将用于制备微透镜阵列模板的硬质材料固定在三维精密位移台上，使超短脉冲激光作用于材料表面，烧蚀出所需的弹坑阵列；将烧蚀出弹坑阵列的硬质材料置于氢氟酸稀释液中进行腐蚀，采用平面浇铸工艺将PMMA氯仿溶液均匀涂覆在模板表面，自然干燥固化；将小球加热，用球冠对PMMA薄膜的背面进行均匀挤压，直到薄膜包覆住半球，形成半球壳状结构，即可得到复眼结构微透镜阵列；本发明实现了复眼结构微透镜阵列的高重复性、低成本批量生产，同时相关参数灵活可调。
文档编号B81C1/00GK102759763SQ20121020821
公开日2012年10月31日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者侯洵, 刘贺炜, 司金海, 杜广庆, 杨青, 瞿谱波, 边浩, 陈烽 申请人:西安交通大学