利用飛秒激光濕法刻蝕制備準周期微透鏡陣列的方法技術

利用飛秒激光濕法刻蝕技術制備大規模準周期微透鏡陣列的方法，根據所需要加工的準周期微透鏡個體平均尺寸，控制精密加工平臺移動靶材的速率，飛秒激光每隔固定時間在靶材表面作用1個脈沖，在靶材上以飛秒激光脈沖作用焦點為中心產生一個光破壞區；利用體積濃度為1％至10％的氫氟酸溶液對飛秒激光加工后的靶材進行化學腐蝕，并且用超聲波水浴加熱輔助，將腐蝕之后的靶材在去離子水中徹底清洗干凈，即為一塊大規模準周期微透鏡陣列的模板成品；本發明專利技術具有高效率、低成本、微透鏡個體形貌尺寸可控等優點，并且能夠有效避免勻光過程中產生的激光聚焦空氣擊穿效應、周期光場耦合疊加效應等負面影響。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于飛秒激光微納加工光學器件領域，特別涉及，在硬質材料表面高效進行大規模準周期微透鏡陣列的制備，其制備結果可作為一種高損傷閾值的勻光器件。
技術介紹
在高精度激光微納加工及成像、光信息處理、激光驅動慣性約束核聚變及激光的醫學臨床應用等諸多領域里，對輻照光斑光強的均勻性都有著較高的要求。而通常激光器產生的激光束的空間強度分布都呈高斯型，因此，通過高斯光束來獲得均勻光斑一直以來都是國內外研究的熱點。目前普遍采用的是衍射光學元件，這種元件具有衍射效率高、光斑輪廓可調等特點，但存在設計復雜、加工困難、激光損傷閾值較低等不足。在之前的專利中，曾經提出利用飛秒激光濕法刻蝕的方法制作矩形或六邊形均勻排布的大規模微透鏡陣列作為一種勻光器件，但光源通過均勻排布的大規模微透鏡陣列后會產生明顯的的周期光場耦合疊加效應，影響勻光質量。且均勻排布的微透鏡陣列制作效率有限，要制作一塊陣列尺寸為厘米級的陣列需要幾個甚至幾十個小時的時間。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供，利用飛秒激光獨特的加工特性，結合傳統化學刻蝕工藝，最終實現該勻光器件即大規模準周期微透鏡陣列高效率、低成本的批量生產。為了達到上述目的，本專利技術的技術方案是這樣實現的，包括以下步驟步驟一、選取作為飛秒激光作用靶材的硬質材料，依次放入丙酮、乙醇、去離子水三種溶液中徹底清潔，再將靶材固定于飛秒激光微納精密加工系統上，選用脈沖重復頻率為IOOHz到100kHz、脈沖寬度為30到150fs、波長為325到1064nm的超短脈沖激光，經數值孔徑值為0. 3至0. 9的物鏡聚焦在硬質材料表面；步驟二、每個激光脈沖會在靶材上產生一個光破壞區。調整精密加工平臺的移動速度即調整相鄰兩個脈沖之間的作用距離，根據所需要加工的準周期微透鏡陣列平均尺寸，控制精密加工平臺移動靶材的速率，即可在靶材上得到不同間距的點陣陣列；步驟三、利用體積濃度為1%至10%的氫氟酸溶液對飛秒激光加工后的靶材進行化學腐蝕，腐蝕時間為5-20分鐘，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為30-80攝氏度，加熱時間為3-15分鐘；步驟四、將腐蝕之后的靶材在去離子水中徹底清洗干凈，即形成一塊可作為高損傷閾值勻光器件的大規模準周期微透鏡陣列模板成品。所述的作為靶材的硬質材料為6面拋光的石英玻璃或K9玻璃。所述的氫氟酸溶液指體積濃度為1%至10%的氫氟酸溶液，濃度不同會導致腐蝕速率與表面光滑度不同。由于氫氟酸對光破壞區的腐蝕速度遠高于對其他區域的腐蝕速度，所以以光破壞區為中心會逐漸腐蝕出一個光滑的凹面結構，也即一個獨立的凹面微透鏡個體。所說的微透鏡陣列為非規則形狀準周期排布的微透鏡陣列。本專利技術首先利用飛秒激光直接作用的方式在靶材表面加工一個光破壞區，之后利用化學刻蝕的方法以光破壞區為中心腐蝕出一個光滑的凹面結構，每一個凹面結構即為一個獨立凹面微透鏡個體。并且可以通過改變飛秒激光功率、化學腐蝕時間和光破壞區間距來控制每個準周期微透鏡個體的尺寸和形貌。本專利技術的優點在于I)本專利技術的加工工藝非常高效，利用飛秒激光單脈沖作用與濕法刻蝕的有效結合，極大的提高了飛秒激光濕法刻蝕的效率，利用高重復頻率飛秒激光快速掃描的方法，能夠在I小時之內制備出多達100萬個獨立的準周期微透鏡個體所構成的陣列，本專利技術適于制備大面積勻光器件，所制備的非規則微透鏡陣列整體尺寸可達到幾十厘米。2)本專利技術所制備的作為高損傷閾值勻光器件的大規模非規則微透鏡陣列模板其透鏡個體為負透鏡形貌，可以避免正微透鏡陣列在勻光過程中對高功率激光聚焦后所造成的空氣擊穿效應。3)本專利技術所制備的大規模準周期微透鏡陣列與規則排布的矩形或六邊形微透鏡陣列模板相比，其勻光性具有明顯優勢。由于本專利技術中微透鏡個體的非規則性，可以有效消除光源通過規則排布的大規模微透鏡陣列模板后的周期光場耦合疊加效應，如圖4所示。4)本專利技術所制備的非規則微透鏡陣列其尺寸和形貌均人為可控，用不同的控制程序可以制備個體尺寸為2-100 u m的大規模準周期微透鏡陣列。5)利用本專利技術提出的方法可制備表面光滑度極高的大規模準周期凹面微透鏡陣列，其表面光滑程度與勻光效果明顯優于機械加工等傳統方法制備的微透鏡陣列勻光器件。6)利用本專利技術提出的方法制備出的大規模準周期微透鏡陣列可以進一步作為模板，通過壓印復制技術進行大規模準周期凸面微透鏡陣列的大批量復制制作。本專利技術所講述的是一種將前沿飛秒激光加工工藝與傳統化學刻蝕方法有效結合所得到的高效制備大規模準周期微透鏡陣列的方法，該方法能夠解決現有制備工藝難以獲得高填充比的微透鏡陣列勻光器件所帶來的能量損失問題，能夠在I小時之內制備出多達100萬個獨立的準周期微透鏡個體所構成的陣列，適合制備大面積的微透鏡陣列。本專利技術所制備的大規模準周期負透鏡陣列作為勻光器件，可以避免正微透鏡陣列模板在勻光過程中對高功率激光聚焦后所造成的空氣擊穿效應。由于微透鏡個體的非規則性，可以有效消除勻光過程中產生的周期光場耦合疊加效應。相比于其他方法，本方法不論在效率、成本及尺寸與形貌控制等方面皆表現出明顯的優勢，為高性能微透鏡陣列勻光器件能夠進行實用化生產提供了一條可能的途徑。附圖說明圖1為飛秒激光微納加工裝置示意圖。圖2為制備完成的一塊大規模準周期微透鏡陣列模板的SEM圖。圖3為利用本方法制備的準周期微透鏡陣列勻光效果示意圖。其中圖a為勻光前原始光斑情況；圖b為平均尺寸10 ii mX 10 ii m的準周期微透鏡陣列勻光效果圖；圖c為平均尺寸15iimX15iim的準周期微透鏡陣列勻光效果圖；圖d為平均尺寸20 y mX 20 y m的準周期微透鏡陣列勻光效果圖。圖4為大規模準周期微透鏡陣列模板與矩形及六邊形規則排布微透鏡陣列模板的勻光性能比較示意圖；其中圖a為均勻排布矩形微透鏡陣列勻光效果圖；圖13為均勻排布六邊形透鏡陣列勻光效果圖；圖c為非規則排布的準周期微透鏡陣列勻光效果圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術的結構原理和工作原理做詳細敘述。參照圖1，實現本專利技術時，先要組裝飛秒激光微納加工裝置，飛秒激光器I發出的光束經過可控光開關2，反射鏡4和顯微物鏡5聚焦在靶材表面；其中可控光開關2控制激光的通斷和照射時間，靶材6固定在三維精密移動平移臺7和8上，通過計算機9控制三維移動平臺7、8的精密位移來完成飛秒激光納米加工，整個加工過程的圖像由CXD 3拍攝并監控。實施例一，包括以下步驟步驟一、選取作為飛秒激光作用靶材的硬質材料，依次放入丙酮、乙醇、去離子水三種溶液中徹底清潔，再將靶材置于飛秒激光微納加工裝置上，選用脈沖寬度為30fs、頻率1kHz、波長為SOOnm的超短脈沖激光，經數值孔徑值為0. 5物鏡聚焦在硬質材料表面；步驟二、根據所需要加工的非規則準周期微透鏡個體平均尺寸，設定精密加工平臺帶動靶材移動的速率，使飛秒激光每隔一段距離在靶材表面作用I個脈沖，由于飛秒激光特殊的加工特性，在靶材上會以飛秒激光脈沖作用焦點為中心產生一個光破壞區；具體為三維精密平移臺8負責靶材的精密移動，其移動程序通過計算機9來控制。設定平移臺移動速率為lOmm/s，由于每個脈沖作用之間有時間間隔，在此時間間隔內平移臺會帶動靶材移動IOu m的距離，再設定每行脈沖作用間隔距離為IOy m本文檔來自技高網...

【技術保護點】
利用飛秒激光濕法刻蝕制備準周期微透鏡陣列的方法，包括以下步驟：步驟一、選取作為飛秒激光作用靶材的硬質材料，依次放入丙酮、乙醇、去離子水三種溶液中徹底清潔，再將靶材固定于飛秒激光微納精密加工系統上，選用脈沖重復頻率為100Hz到100kHz、脈沖寬度為30到150fs、波長為325到1200nm的超短脈沖激光，經數值孔徑值為0.3至0.9的物鏡聚焦在硬質材料表面；步驟二、調整精密加工平臺的移動速度即調整相鄰兩個脈沖之間的作用距離，根據所需要加工的準周期微透鏡陣列平均尺寸，控制精密加工平臺移動靶材的速率，即可在靶材上得到不同間距的點陣陣列；步驟三、利用體積濃度為1％至10％的氫氟酸溶液對飛秒激光加工后的靶材進行化學腐蝕，腐蝕時間為5?20分鐘，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為30?80攝氏度，加熱時間為3?15分鐘；步驟四、將腐蝕之后的靶材在去離子水中徹底清洗干凈，即為一塊可作為高損傷閾值勻光器件的大規模準周期微透鏡陣列模板成品。

【技術特征摘要】
1.利用飛秒激光濕法刻蝕制備準周期微透鏡陣列的方法，包括以下步驟步驟一、選取作為飛秒激光作用靶材的硬質材料，依次放入丙酮、乙醇、去離子水三種溶液中徹底清潔，再將靶材固定于飛秒激光微納精密加工系統上，選用脈沖重復頻率為 IOOHz到100kHz、脈沖寬度為30到150fs、波長為325到1200nm的超短脈沖激光，經數值孔徑值為O. 3至O. 9的物鏡聚焦在硬質材料表面；步驟二、調整精密加工平臺的移動速度即調整相鄰兩個脈沖之間的作用距離，根據所需要加工的準周期微透鏡陣列平均尺寸，控制精密加工平臺移動靶材的速率，即可在靶材上得到不同間距的點陣陣列；步驟三、利用體積濃度為1%至10%的氫氟酸溶液對飛秒激光加工后的靶材進行化學腐蝕，腐蝕時間為5...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳烽，邊浩，胡洋，楊青，杜廣慶，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：