[發明專利]基于電子動態調控和化學輔助刻蝕的橢圓微透鏡加工方法

在審

• 申請號: 201710436568.1
• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107088703A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 姜瀾;潘昌基;孫靖雅
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23K26/064
• 分類號: B23K26/064;B23K26/12;B23K26/073;B23K26/362;B23K26/32
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 鮑文娟

技術領域

本發明涉及一種基于電子動態調控和化學輔助刻蝕的橢圓微透鏡加工方 法，屬于功能性表面應用技術領域。

背景技術

橢圓微透鏡在在現代光傳感、光計算、光纖通信及其它光電子器件中有著 重要的應用。為了實現橢圓微透鏡的制備，需要在材料表面構建出具有各向異 性形貌的表面，具體加工方法包括化學滴定法、磨削法、回流sol–gel法等。中 國科學院西安光學精密機械研究所(李同海,吳國俊,胡保文,王麗莉,李育林.橢圓 微透鏡的制備及在LD光束整形中的應用[J].科學技術與工 程,2005,(24):1890-1892+1902.)采用化學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雜，對加 工環境和設備的要求比較高，而且效率比較低；臺灣某大學課題組(Lu Y K,Tsai Y C,Liu Y D,et al.Asymmetric elliptic-cone-shaped microlens for efficient coupling to high-power laser diodes[J].Optics express,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，但這種方法對設備要求較高，操作較復雜； 南洋理工大學課題組(He M,Yuan X C,Ngo N Q,et al.Low-cost and efficient coupling technique using reflowed sol-gel microlens[J].Optics express,2003,11(14): 1621-1627.)利用回流sol–gel法制備出了橢圓微透鏡陣列，不過該方法操作復 雜，對材料有特定要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于電子動態調控和化學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短軸比率和鏡面曲率，實現 大面積、高效率橢圓微透鏡陣列。

為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種基于電子動態調控和化學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、半波片、偏振片、機械開關、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、移動平臺、刻蝕溶液器 皿和刻蝕溶液，其加工光路為飛秒激光系統產生的飛秒激光，經過半波片、偏 振片和機械開關之后，被二向色鏡反射，依次經過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平臺上；照明白光源經過分束鏡、 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 經過平凸透鏡、狹縫、二向色鏡后，被分束鏡反射通過聚焦透鏡入射到成像CCD 中；具體加工步驟如下：

步驟一：調整飛秒激光系統的光路，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過處，調整狹縫的位置，將狹縫寬度調節至 所需大小，確保激光垂直通過狹縫中心；

步驟三：借助成像CCD和照明白光源進行成像，觀測加工材料表面形貌及 加工過程，配合機械開關的通斷，即可在待加工材料表面進行指定區域、指定 間隔的加工；

步驟四：將步驟三所得的帶有橢圓改性區域的樣品浸入濃度k的刻蝕溶液 中。

作為優選，通過改變狹縫寬度改變材料表面橢圓改性區域的長短軸比率， 狹縫寬度越小橢圓改性區域的長短軸比率越大，所述狹縫寬度在0～10mm之間。

作為優選，通過調節刻蝕溶液濃度和刻蝕時間以得到不同曲率的鏡面。

作為優選，根據待加工材料的不同選擇相應的刻蝕溶液，以取得不同的刻 蝕效率。

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

作為優選，所述k＝8％。

作為優選，通過調整平凸透鏡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

本發明的基于電子動態調控和化學輔助刻蝕的加工方法，采用空間光整形 的方法實現材料表面各向異性微納復合結構的加工，不僅簡化了橢圓形貌的構 建過程，適用于各種材料，而且可以通過調節狹縫寬度實現各向異性結構長短 軸比率的連續變化；進一步改變脈沖個數、能量、加工周期、刻蝕時長等參數 可以實現大面積加工后橢圓微透鏡長短軸比率、鏡面曲率的可控變化，為橢圓 微透鏡的高效、高質量制備提供了一種簡單、可控、高效的加工方法。