專利名稱：飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒激光維納加工和激光光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種利用飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，所制得的光束整形器能夠?qū)⒃几咚狗植嫉募す夤馐芰恐匦路植家赃_(dá)到盡可能均勻。
背景技術(shù)：
在激光的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中，例如激光對(duì)材料的加工，激光驅(qū)動(dòng)慣性約束核聚變等，常要求光強(qiáng)空間分布均勻的激光光束，然而通常情況下從激光器中直接發(fā)出的都是能量呈高斯分布的高斯光束，因此需要通過激光光束整形器件，來將高斯光束的強(qiáng)度整形為均勻分布。目前光束整形的方法有很多，例如利用非球面透鏡組整形系統(tǒng)、微透鏡陣列整形系 統(tǒng)、衍射光學(xué)元件整形系統(tǒng)和液晶空間光調(diào)制器等都可以實(shí)現(xiàn)高斯光束的整形。但比較而言，微透鏡陣列加工簡單，操作可行性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。以往的微透鏡陣列加工方法，包括光刻膠熔融法、離子交換法、微噴打印法、激光直寫技術(shù)等；其中光刻膠熔融法難以實(shí)現(xiàn)高填充比微透鏡陣列的加工；離子交換法通常被用于二維平面微透鏡陣列的制備，并且該工藝需要在高溫環(huán)境中長時(shí)間反應(yīng)；微噴打印法同光刻膠熔融法類似，它所制得的微透鏡陣列填充因子也很難超過80% ;激光直寫技術(shù)可以制備任意形貌的微透鏡陣列，但是其加工材料僅限于光刻膠，并且加工效率低，不適合大面積微透鏡陣列的批量制備。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種利用飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高填充比、大面積微透鏡陣列的高效率加工；而且所制備出的微透鏡陣列能夠簡單、便捷的實(shí)現(xiàn)使高斯光束的空間光強(qiáng)均勻分布。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，具體實(shí)施步驟如下步驟一、選用石英玻璃作為樣品材料；步驟二、選用脈沖寬度為30— 150fs、波長為325— 1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個(gè)顯微物鏡聚焦到固定在三維精密移動(dòng)平臺(tái)上的樣品表面，顯微物鏡的數(shù)值孔徑為0. 3-0. 8 ;步驟三、根據(jù)所需微透鏡陣列形貌，調(diào)整脈沖作用點(diǎn)的排列方式，矩形微透鏡陣列則脈沖作用點(diǎn)按照矩形排列，六邊形微透鏡陣列則脈沖作用點(diǎn)按照三角形排列，三角形微透鏡陣列則脈沖作用點(diǎn)按照六邊形排列，控制飛秒激光單脈沖能量為IOnJ — 5mJ，脈沖頻率為IOHz — lOOKHz，調(diào)整三維精密移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)速率為0. 1窗/8—6臟/8，從而控制飛秒加工時(shí)間的長短，得到微透鏡陣列彈坑；步驟四、將已加工出的微透鏡陣列彈坑放入氟化氫溶液中輔助刻蝕，氟化氫溶液體積濃度為5% —15%，腐蝕時(shí)間為30—150分鐘；即可完成微透鏡陣列光束整形器的制備。
所述步驟四所得的微透鏡陣列中單個(gè)透鏡參數(shù)為直徑D為30— 120um，球冠高度h 為 5—22um。所述步驟三中脈沖作用點(diǎn)的排列方式包括三角形、矩形、六邊形。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明利用飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列，具有所制得的微透鏡陣列形貌可控的優(yōu)點(diǎn)。其中，透鏡的形貌可以通過激光脈沖作用點(diǎn)的合理排列進(jìn)行控制，透鏡的焦距則可以通過激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。(2)填充比高，利用該方法所制得的矩形、三角形、六邊形微透鏡陣列都可以實(shí)現(xiàn)100%的填充；這樣透鏡之間的間隙小，有助于更多光源經(jīng)過透鏡被利用來實(shí)現(xiàn)高效率光束整形。(3)加工效率高，可以實(shí)現(xiàn)大面積微透鏡陣列的制備；例如加工直徑為60um，陣 列數(shù)為128X128的矩形透鏡陣列，所需的總時(shí)間為3小時(shí)。(4)制備所得的微透鏡陣列不僅表面形貌良好，而且大陣列數(shù)的情況依然可以保持很好的均勻一致性。(5)所制備的微透鏡陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光束整形的情況下，可控的改善光場強(qiáng)度分布的均勻性；例如，可以通過改變單個(gè)透鏡的形貌和尺寸大小來控制照射到靶面上光斑的形狀和均勻性。(6)由于采用的是光學(xué)整形方法，能量損失小。


圖I為本發(fā)明中波長為800nm飛秒激光在石英玻璃表面制備微透鏡陣列光束整形器的光路示意圖。圖2為本發(fā)明中脈沖作用點(diǎn)排列方式示意圖，其中圖2a為矩形、圖2b為三角形、圖2c為六邊形。圖3為本發(fā)明中所制備出的微透鏡陣列光束整形器件的SEM圖，其中圖3a為矩形微透鏡陣列光束整形器件的SEM圖；圖3b為六邊形微透鏡陣列光束整形器件的SEM圖。圖4為本發(fā)明中所制備出的微透鏡陣列光束整型器件單個(gè)透鏡的剖面尺寸示意圖。圖5為光束整形器件和會(huì)聚透鏡構(gòu)成的實(shí)現(xiàn)光束整形的光路示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)敘述。參照?qǐng)D1，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)，先要組裝光路，由激光加載系統(tǒng)和樣品夾持系統(tǒng)依次連接而成，激光加載系統(tǒng)由飛秒激光器I和可控光開關(guān)2、反射鏡4和顯微物鏡5組成。飛秒激光器I發(fā)出的光束經(jīng)過可控光開關(guān)2,反射鏡4和顯微物鏡5聚焦在石英玻璃表面；其中可控光開關(guān)2控制激光的通斷和照射時(shí)間，石英玻璃由樣品夾持系統(tǒng)6夾持固定在三維精密移動(dòng)平移臺(tái)7和8上，通過計(jì)算機(jī)9控制三維移動(dòng)平臺(tái)7和8的精密位移來完成飛秒激光對(duì)微透鏡陣列光束整形器的制備，整個(gè)加工過程的圖像由CXD 3拍攝并監(jiān)控。實(shí)施例一
本實(shí)施例具體實(shí)施步驟如下步驟一、選用石英玻璃作為樣品材料，所述的石英玻璃樣品尺寸為15X 15X2_3 ；步驟二、選用脈沖寬度為30fs、波長為800nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個(gè)顯微物鏡聚焦到固定在三維精密移動(dòng)平臺(tái)上的石英玻璃樣品表面，顯微物鏡的數(shù)值孔徑為0. 5 ；步驟三、參照?qǐng)D2a，根據(jù)所需微透鏡陣列形貌，調(diào)整脈沖作用點(diǎn)的排列方式，三維精密移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速率為3000um/s，脈沖作用點(diǎn)的排列方式為矩形，黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示脈沖作用點(diǎn)，相鄰脈沖作用點(diǎn)間距大小如圖2a中所示分別為Lx = 40um , Ly = 60um,控制飛秒激光單脈沖能量為I. luj，脈沖頻率為lKHz，得到微透鏡陣列彈坑；步驟四、將已加工出的微透鏡陣列彈坑放入氟化氫溶液中輔助刻蝕，氟化氫溶液體積濃度為5%，腐蝕時(shí)間為150分鐘；即可完成微透鏡陣列光束整形器的制備。所述的步驟四所得的矩形微透鏡陣列中單個(gè)透鏡參數(shù)為在X軸方向，透鏡的直徑測量值為40. 58um，球冠高度為5. 98um ;在y軸方向，透鏡的直徑和高度分別為59. 49um和 12. 61um。實(shí)施例二、本實(shí)施例具體實(shí)施步驟如下步驟一、選用石英玻璃作為樣品材料，所述的石英玻璃樣品尺寸為15 X 15 X Imm3 ；步驟二、選用脈沖寬度為50fs、波長為800nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個(gè)顯微物鏡聚焦到固定在三維精密移動(dòng)平臺(tái)上的石英玻璃樣品表面，顯微物鏡的數(shù)值孔徑為0. 5 ；步驟三、參照?qǐng)D2b，根據(jù)所需微透鏡陣列形貌，調(diào)整脈沖作用點(diǎn)的排列方式，三維精密移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速率為4000um/s，脈沖作用點(diǎn)的排列方式為三角形，黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示脈沖作用點(diǎn)，相鄰脈沖作用點(diǎn)間距大小如圖2b中所示為Lx = 60um，控制飛秒激光單脈沖能量為2uJ，脈沖頻率為lKHz，得到微透鏡陣列彈坑；步驟四、將已加工出的微透鏡陣列彈坑放入氟化氫溶液中輔助刻蝕，氟化氫溶液體積濃度為5%，腐蝕時(shí)間為90分鐘；即可完成微透鏡陣列光束整形器的制備。所述的步驟四所得的六邊形微透鏡陣列中單個(gè)透鏡參數(shù)為透鏡的直徑測量值為80. 74um,球冠高度為6. 72um。實(shí)施例三、本實(shí)施例具體實(shí)施步驟如下步驟一、選用石英玻璃作為樣品材料；所述的石英玻璃樣品尺寸為15X15 X Imm3 ；步驟二、選用脈沖寬度為50fs、波長為800nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個(gè)顯微物鏡聚焦到固定在三維精密移動(dòng)平臺(tái)上的石英玻璃樣品表面，顯微物鏡的數(shù)值孔徑為0. 4 ；步驟三、參照?qǐng)D2c，根據(jù)所需微透鏡陣列形貌，調(diào)整脈沖作用點(diǎn)的排列方式，三維精密移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速率為4000um/s，脈沖作用點(diǎn)的排列方式為六邊形，黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示脈沖作用點(diǎn)，相鄰脈沖作用點(diǎn)間距大小如圖2c中所示為Lx = 60um，控制飛秒激光單脈沖能量為3uJ，脈沖頻率為lKHz，得到微透鏡陣列彈坑；步驟四、將已加工出的微透鏡陣列彈坑放入氟化氫溶液中輔助刻蝕，氟化氫溶液體積濃度為5%，腐蝕時(shí)間為50分鐘；即可完成微透鏡陣列光束整形器的制備。所述的步驟四所得的三角形微透鏡陣列中單個(gè)透鏡參數(shù)為透鏡的直徑為116um，球冠高度為5. 22um。參照?qǐng)D3(a)、圖3(b)所示，分別為實(shí)施例一矩形、實(shí)施例二六邊形微透鏡陣列的SEM圖。脈沖作用點(diǎn)分別按照矩形排列(Lx = 40um, Ly = 60um)和三角形排列(Lx = 60um)；在完成飛秒激光燒蝕后，隨著氟化氫溶液腐蝕的不斷推進(jìn)，圓形彈坑結(jié)構(gòu)直徑將逐步擴(kuò)大，漸漸相互連接在一起，在相鄰脈沖作用點(diǎn)中心形成一道清晰的分界線，最終形成矩形、六邊形微透鏡陣列，由于微結(jié)構(gòu)之間相互連接，相鄰?fù)哥R單元之間不存在空隙，使微透鏡陣列的填充比可以高達(dá)100%，這樣可以有效提高光源的利用率，避免造成光能損失。微透鏡陣列光束整形器的工作原理是在所制得的成千上萬個(gè)微透鏡陣列單元作用下,整個(gè)入射光束將被分為多個(gè)子光束,而每個(gè)子光束的光強(qiáng)分布均勻性必然大于入射光束的均勻性；同時(shí)對(duì)稱位置的子光束會(huì)在目標(biāo)靶面上相同的位置產(chǎn)生相互疊加，進(jìn)一步改善這些子光束的細(xì)微不均勻性；當(dāng)微透鏡陣列光束整形器中所包含的透鏡單元個(gè)數(shù)足夠多時(shí)，就可以使整個(gè)入射光束在目標(biāo)靶面上形成均勻、有效的光強(qiáng)分布。參照?qǐng)D4所示，指出了單個(gè)透鏡單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中透鏡直徑D、球冠高度 h、曲率半徑R，三者之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，其特征在于，具體實(shí)施步驟如下 步驟一、選用石英玻璃作為樣品材料； 步驟二、選用脈沖寬度為30-150fs、波長為325-1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)一個(gè)顯微物鏡聚焦到固定在三維精密移動(dòng)平臺(tái)上的樣品表面，顯微物鏡的數(shù)值孔徑為03-0. 8 ； 步驟三、根據(jù)所需微透鏡陣列形貌，調(diào)整脈沖作用點(diǎn)的排列方式，矩形微透鏡陣列則脈沖作用點(diǎn)按照矩形排列，六邊形微透鏡陣列則脈沖作用點(diǎn)按照三角形排列，三角形微透鏡陣列則脈沖作用點(diǎn)按照六邊形排列，控制飛秒激光單脈沖能量為10nJ-5mJ，脈沖頻率為lOHz-lOOKHz，調(diào)整三維精密移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)速率為0. lum/s-6mm/s，從而控制飛秒加工時(shí)間的長短，得到微透鏡陣列彈坑； 步驟四、將已加工出的微透鏡陣列彈坑放入氟化氫溶液中輔助刻蝕，氟化氫溶液體積濃度為5%-15%，腐蝕時(shí)間為30-150分鐘；即可完成微透鏡陣列光束整形器的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，其特征在于，所述的步驟四所得的微透鏡陣列中單個(gè)透鏡參數(shù)為直徑D為30-120um，球冠高度h為5_22um ；
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，其特征在于，所述的步驟三中脈沖作用點(diǎn)的排列方式包括三角形、矩形、六邊形。
全文摘要
飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列光束整形器的方法，選用石英玻璃作為樣品材料；通過飛秒激光在其表面加工得到微透鏡陣列彈坑；將已加工出的微透鏡陣列彈坑放入氟化氫溶液中輔助刻蝕，即可完成微透鏡陣列光束整形器的制備；本發(fā)明利用飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)刻蝕制備微透鏡陣列，具有所制得的微透鏡陣列形貌可控的優(yōu)點(diǎn)。其中，透鏡的形貌可以通過激光脈沖作用點(diǎn)的合理排列進(jìn)行控制，透鏡的焦距則可以通過激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)控；該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高填充比、大面積微透鏡陣列的高效率加工；而且所制備出的微透鏡陣列能夠簡單、便捷的實(shí)現(xiàn)使高斯光束的空間光強(qiáng)均勻分布。
文檔編號(hào)G02B27/09GK102759800SQ201210207940
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者劉賀煒, 盧靜, 楊青, 王先華, 趙玉龍, 陳烽 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)