本發(fā)明涉及一種基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控和化學(xué)輔助刻蝕的橢圓微透鏡加工方法，屬于功能性表面應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

橢圓微透鏡在在現(xiàn)代光傳感、光計(jì)算、光纖通信及其它光電子器件中有著重要的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)橢圓微透鏡的制備，需要在材料表面構(gòu)建出具有各向異性形貌的表面，具體加工方法包括化學(xué)滴定法、磨削法、回流sol–gel法等。中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所(李同海,吳國(guó)俊,胡保文,王麗莉,李育林.橢圓微透鏡的制備及在ld光束整形中的應(yīng)用[j].科學(xué)技術(shù)與工程,2005,(24):1890-1892+1902.)采用化學(xué)滴定的方法在聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)上得到了橢圓微透鏡陣列，但使用這種方法的加工工藝復(fù)雜，對(duì)加工環(huán)境和設(shè)備的要求比較高，而且效率比較低；臺(tái)灣某大學(xué)課題組(luyk,tsaiyc,liuyd,etal.asymmetricelliptic-cone-shapedmicrolensforefficientcouplingtohigh-powerlaserdiodes[j].opticsexpress,2007,15(4):1434-1442.)利用磨削的方法在光纖末端加工出橢圓微透鏡，但這種方法對(duì)設(shè)備要求較高，操作較復(fù)雜；南洋理工大學(xué)課題組(hem,yuanxc,ngonq,etal.low-costandefficientcouplingtechniqueusingreflowedsol-gelmicrolens[j].opticsexpress,2003,11(14):1621-1627.)利用回流sol–gel法制備出了橢圓微透鏡陣列，不過(guò)該方法操作復(fù)雜，對(duì)材料有特定要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控和化學(xué)輔助刻蝕的橢圓微透鏡加工方法，該方法能夠精確控制橢圓微透鏡的長(zhǎng)短軸比率和鏡面曲率，實(shí)現(xiàn)大面積、高效率橢圓微透鏡陣列。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控和化學(xué)輔助刻蝕的橢圓微透鏡加工方法，基于如下加工裝置：飛秒激光系統(tǒng)、半波片、偏振片、機(jī)械開(kāi)關(guān)、二向色鏡、分束鏡、照明白光源、聚焦透鏡、成像ccd、狹縫、平凸透鏡、移動(dòng)平臺(tái)、刻蝕溶液器皿和刻蝕溶液，其加工光路為飛秒激光系統(tǒng)產(chǎn)生的飛秒激光，經(jīng)過(guò)半波片、偏振片和機(jī)械開(kāi)關(guān)之后，被二向色鏡反射，依次經(jīng)過(guò)狹縫和平凸透鏡后聚焦到待加工材料表面，待加工材料固定在六維移動(dòng)平臺(tái)上；照明白光源經(jīng)過(guò)分束鏡、二向色鏡、狹縫和平凸透鏡后照射到待加工材料表面，待加工材料表面反射光經(jīng)過(guò)平凸透鏡、狹縫、二向色鏡后，被分束鏡反射通過(guò)聚焦透鏡入射到成像ccd中；具體加工步驟如下：

步驟一：調(diào)整飛秒激光系統(tǒng)的光路，確保激光能夠垂直入射到水平放置的待加工材料表面；

步驟二：將狹縫放置在光路經(jīng)過(guò)處，調(diào)整狹縫的位置，將狹縫寬度調(diào)節(jié)至所需大小，確保激光垂直通過(guò)狹縫中心；

步驟三：借助成像ccd和照明白光源進(jìn)行成像，觀(guān)測(cè)加工材料表面形貌及加工過(guò)程，配合機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷，即可在待加工材料表面進(jìn)行指定區(qū)域、指定間隔的加工；

步驟四：將步驟三所得的帶有橢圓改性區(qū)域的樣品浸入濃度k的刻蝕溶液中。

作為優(yōu)選，通過(guò)改變狹縫寬度改變材料表面橢圓改性區(qū)域的長(zhǎng)短軸比率，狹縫寬度越小橢圓改性區(qū)域的長(zhǎng)短軸比率越大，所述狹縫寬度在0～10mm之間。

作為優(yōu)選，通過(guò)調(diào)節(jié)刻蝕溶液濃度和刻蝕時(shí)間以得到不同曲率的鏡面。

作為優(yōu)選，根據(jù)待加工材料的不同選擇相應(yīng)的刻蝕溶液，以取得不同的刻蝕效率。

作為優(yōu)選，待加工材料為熔融石英時(shí)，選用濃度k為1％-10％的氫氟酸溶液作為刻蝕溶液，刻蝕時(shí)間為40分鐘，得到深度為4微米的橢圓微透鏡。

作為優(yōu)選，所述k＝8％。

作為優(yōu)選，通過(guò)調(diào)整平凸透鏡11的焦距控制橢圓微透鏡的最小尺寸，焦距越小，最小尺寸越小，焦距范圍為50mm～200mm。

有益效果

本發(fā)明的基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控和化學(xué)輔助刻蝕的加工方法，采用空間光整形的方法實(shí)現(xiàn)材料表面各向異性微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的加工，不僅簡(jiǎn)化了橢圓形貌的構(gòu)建過(guò)程，適用于各種材料，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)狹縫寬度實(shí)現(xiàn)各向異性結(jié)構(gòu)長(zhǎng)短軸比率的連續(xù)變化；進(jìn)一步改變脈沖個(gè)數(shù)、能量、加工周期、刻蝕時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)大面積加工后橢圓微透鏡長(zhǎng)短軸比率、鏡面曲率的可控變化，為橢圓微透鏡的高效、高質(zhì)量制備提供了一種簡(jiǎn)單、可控、高效的加工方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)加工光路的光學(xué)原理示意圖。

其中1—飛秒激光系統(tǒng)，2—半波片，3—偏振片，4—機(jī)械開(kāi)關(guān)，5—二向色鏡，6—分束鏡，7—照明白光源，8—聚焦透鏡，9—成像ccd，10—狹縫，11—平凸透鏡，12—待加工材料，13—溶液器皿，14—刻蝕溶液。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1所示，以表面拋光的熔融石英為例，一種基于電子動(dòng)態(tài)調(diào)控和化學(xué)輔助刻蝕的橢圓微透鏡加工方法，基于如下裝置：飛秒激光系統(tǒng)1、半波片2、偏振片3、機(jī)械開(kāi)關(guān)4、二向色鏡5、分束鏡6、照明白光源7、聚焦透鏡8、成像ccd9、狹縫10、平凸透鏡11、樣品12、溶液器皿13以及刻蝕溶液14；

其加工光路為飛秒激光系統(tǒng)1產(chǎn)生的飛秒激光，經(jīng)過(guò)半波片2、偏振片3和機(jī)械開(kāi)關(guān)4之后，被二向色鏡5反射，經(jīng)過(guò)狹縫10和平凸透鏡11后聚焦到熔融石英12表面；照明白光源7經(jīng)過(guò)分束鏡6、二向色鏡5、狹縫10和平凸透鏡11后照射到熔融石英材料12表面，熔融石英表面反射光經(jīng)過(guò)平凸透鏡11、狹縫10、二向色鏡5后，被分束鏡6反射通過(guò)聚焦透鏡8入射到成像ccd9中；經(jīng)過(guò)飛秒激光加工后的熔融石英12浸入盛放刻蝕溶液14的溶液器皿13中。

具體加工過(guò)程如下：

步驟一：調(diào)整飛秒激光系統(tǒng)1的光路，確保激光能夠垂直入射到水平放置的樣品12表面；

步驟二：將狹縫10放置在光路經(jīng)過(guò)處，調(diào)整狹縫的位置，將狹縫寬度調(diào)節(jié)至所需大小，確保激光垂直通過(guò)狹縫中心；狹縫寬度越小，得到的材料表面橢圓改性區(qū)域的長(zhǎng)短軸比率越大，所以橢圓改性區(qū)域的長(zhǎng)短軸比率可以通過(guò)狹縫寬度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)；

步驟三：借助成像ccd9和照明白光源7進(jìn)行成像，觀(guān)測(cè)加工材料表面形貌及加工過(guò)程，配合機(jī)械開(kāi)關(guān)的通斷，即可在樣品表面12進(jìn)行指定區(qū)域、指定間隔的加工；

步驟四：將步驟三所得的帶有橢圓改性區(qū)域的樣品浸入一定濃度的刻蝕溶液14中，調(diào)節(jié)溶液濃度和刻蝕時(shí)間，可以得到不同曲率的鏡面，所以鏡面的曲率可以連續(xù)調(diào)節(jié)。

所述狹縫10寬度介于0到10mm之間。

通過(guò)所述半波片2和偏振片3的組合實(shí)現(xiàn)能量在0.4mw到50mw之間變化。

所述平凸透鏡11的倍數(shù)選擇可以控制加工形貌的最小尺寸，選用的平凸透鏡的焦距越小，能加工的最小尺寸越??；針對(duì)本實(shí)施例選用的平凸透鏡，可供選擇的平凸透鏡焦距包括50mm、100mm、200mm等。

具體工作過(guò)程舉例：

飛秒激光系統(tǒng)1產(chǎn)生飛秒激光脈沖(美國(guó)光譜物理公司鈦藍(lán)寶石自鎖模飛秒激光器spectra-physicstsunami，其振蕩級(jí)輸出功率0.56w，重復(fù)頻率為80mhz，放大級(jí)輸出功率為4w，脈沖重復(fù)頻率4hz-1000hz連續(xù)可調(diào)，中心波長(zhǎng)為800nm)，通過(guò)半波片2和偏振片3的組合將能量調(diào)整為10mw，二向色鏡5將入射的飛秒激光脈沖進(jìn)行反射，垂直通過(guò)寬度為2mm的狹縫10(大恒光電，型號(hào)為gcm-560101m)中心和焦距為200mm的平凸透鏡11，垂直入射到樣品12表面(熔融石英基片，尺寸10*10*1mm，表面拋光)；由照明白光源7發(fā)出的照明光經(jīng)過(guò)分束鏡6、二向色鏡5、寬度為2mm的狹縫10和焦距為200mm的平凸透鏡11后照射到樣品12表面，樣品表面反射光再經(jīng)過(guò)光路返回，被分束鏡6反射后通過(guò)聚焦透鏡8入射到成像ccd9中，進(jìn)行加工過(guò)程的觀(guān)測(cè)。通過(guò)控制機(jī)械快門(mén)4的通斷時(shí)間，保證每個(gè)點(diǎn)的加工脈沖數(shù)為100，最終得到的各向異性圖形的短軸為40μm左右，長(zhǎng)軸為120μm左右。同樣能量下將狹縫10的寬度調(diào)整為3mm時(shí)，得到的各向異性圖形的短軸為55μm，長(zhǎng)軸為110μm左右。如果保持狹縫寬度為2mm不變，改變半波片2和偏振片3的組合將能量調(diào)整為20mw，最終得到的各向異性圖形的短軸為47μm，長(zhǎng)軸為141μm左右。將加工后的樣品浸入濃度為8％的常溫氫氟酸溶液14中刻蝕100分鐘，可以得到深度為6μm、表面光整的橢圓微透鏡。

本發(fā)明專(zhuān)利不限上述熔融石英的加工透鏡，也可適用于各種材料，如對(duì)于單晶硅材料，可以用一定濃度的氫氧化鉀溶液刻蝕，可以通過(guò)不同聚焦透鏡與狹縫寬度的組合在任意材料表面上得到可控的各向異性形貌微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，在大面積加工后實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的橢圓微透鏡。