[發明專利]一種用于光束均勻化的隨機微透鏡陣列結構及其制作方法

在審

• 申請號: 201910971696.5
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN110596905A
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 劉鑫;鞏暢暢;范斌;邊疆;雷柏平
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種用于光束均勻化的隨機微透鏡陣列結構及其制作方法，該結構包括玻璃材料基板及其表面的隨機微透鏡陣列結構，且這些微透鏡的尺寸和位置均隨機分布。該光束均勻化結構利用尺寸和位置均隨機分布的微透鏡將照射到其表面的入射光束分割為無數孔徑大小隨機、焦距長短隨機的子光束，這些子光束被隨機微透鏡折射后在基板后方不同位置處發生疊加，每個子光束的微小不均勻性將在疊加過程中被平滑，從而使出射光束更加均勻。該隨機微透鏡陣列結構的制備方法利用了隨機多邊形金屬掩蔽層導致的隨機腐蝕起始位置、玻璃內物質濃度隨機分布導致的隨機腐蝕速率、二氧化硅腐蝕的各向同性，實現了位置和尺寸均隨機分布的微透鏡制作。

技術領域

本發明涉及光束均勻化領域和微納米加工領域，具體涉及一種用于光束均勻化的隨機微透鏡陣列結構及其制作方法。

背景技術

近年來，由于光學系統對于光束質量要求的不斷提升，用于激光光束整形、光源照明、環境模擬等領域的光束均勻化器件取得了長足的發展。在激光加工、醫療等激光應用領域，由于激光光束的強度為高斯分布，中心能量高，邊緣能量低，在實際應用中存在作用區域不均勻的問題，往往需要將其變換為平頂分布來實現光束均勻化的目的；在LED照明、汞燈照明和太陽模擬器系統中，為了獲得均勻的照明條件，需要將光源發出的光束均勻化后再導入光學系統中使用。

目前，光束均勻化技術主要有非球面透鏡組、微透鏡陣列系統、衍射型光束均勻化器件和隨機微透鏡陣列等。非球面透鏡組利用非球面透鏡的相位調制作用，第一個非球面負責整形，第二個非球面負責準直，能量轉換率高，但不具有光束適應性，僅對單模高斯光束整形效果較好；微透鏡陣列系統由一或兩片微透鏡陣列與聚焦透鏡組成，但微透鏡陣列的周期性，聚焦光斑的均勻性較差；衍射型光束均勻化器件是針對單個波長進行設計，一般工作頻段較窄，適用于光譜范圍小的特定工作場合，不具有通用性。隨機微透鏡陣列的微透鏡焦距和周期均隨機分布，因此光束均勻化效果良好，但受限于連續面形微納米加工技術的發展，現階段制作的隨機微透鏡陣列均勻化效果無法滿足實用需求。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明公開了一種用于光束均勻化的隨機微透鏡陣列結構及其制作方法。

該用于光束均勻化的隨機微透鏡陣列結構包括玻璃材料基板及其表面的隨機微透鏡陣列結構，這些微透鏡的尺寸和位置均隨機分布。該光束均勻化結構利用尺寸和位置均隨機分布的微透鏡將照射到其表面的入射光束分割為無數孔徑大小隨機、焦距長短隨機的子光束，這些子光束被隨機微透鏡折射后在基板后方不同位置處發生疊加，每個子光束的微小不均勻性將在疊加過程中被平滑，從而使出射光束更加均勻。

該隨機微透鏡陣列結構的制作方法是借助隨機多邊形金屬掩蔽層的遮擋作用，隨機地從不同位置處向玻璃基底內部腐蝕，由于玻璃內部除二氧化硅以外的物質濃度是隨機分布的，導致腐蝕速率隨機分布，又由于玻璃材料濕法腐蝕的各向同性，呈現出位置、口徑均隨機分布的微小透鏡無序陣列結構。

本發明的顯著特點是該光束均勻化結構的制作方法簡便易行，對光束的均勻化效果良好，可實現大面積、批量化地制作。

本發明所述的用于光束均勻化的隨機微透鏡陣列結構的制作方法，通過以下技術方案進行實施，包括以下步驟：

步驟(1)、以玻璃材料1作為基底；

步驟(2)、利用薄膜沉積技術，在玻璃材料1表面沉積一層金屬薄膜2；

步驟(3)、在金屬薄膜2上均勻涂覆一層光刻膠3；

步驟(4)、利用光學曝光技術，將掩模板4上的隨機多邊形結構制作在光刻膠3上；

步驟(5)、經顯影，獲得光刻膠結構掩蔽層5；

步驟(6)、將整個基片浸入金屬薄膜材料腐蝕液6中；

步驟(7)、利用濕法腐蝕技術，將隨機多邊形結構從光刻膠結構掩蔽層5傳遞到金屬膜層2上；