專利名稱：一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒激光微納加工和微光學(xué)器件的制備領(lǐng)域，特別涉及一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
特殊曲面上分布的微透鏡陣列，不僅保留了傳統(tǒng)微透鏡陣列的特點(diǎn)每個(gè)小透鏡能夠獨(dú)立地聚焦成像，并且每個(gè)透鏡的通光孔徑尺寸很小(一般為幾個(gè)微米至幾百個(gè)微米)、集成程度很高；而且具有其它特殊的性質(zhì)。比如，將微透鏡陣列均勻排列在球面上，每 個(gè)透鏡都能獨(dú)立接受一定角度的光線，導(dǎo)致它的視角范圍非常大，同時(shí)它在動(dòng)態(tài)目標(biāo)的捕捉方面具有非常大的優(yōu)勢；另外，將微透鏡陣列均勻地分布在圓柱表面，也同樣能夠增大視場，增強(qiáng)對動(dòng)態(tài)目標(biāo)的捕捉能力；并且，帶有微透鏡陣列的圓柱體能夠作模板，通過滾壓印復(fù)制得到大面積的微透鏡陣列。這些獨(dú)特的光學(xué)性能在微光學(xué)成像、光通信、微光學(xué)分析領(lǐng)域存在潛在的應(yīng)用，引起了國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。近些年來，已經(jīng)提出了各種透鏡陣列的加工方法，主要有熱回流、噴墨印刷、激光直寫、軟光刻等。這些加工方法都能夠成功制備微透鏡陣列，然而，這些工藝大多局限于平面加工，不能實(shí)現(xiàn)曲面上微透鏡陣列的制備。經(jīng)過對現(xiàn)有的技術(shù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前能夠?qū)崿F(xiàn)在曲面上制備微透鏡陣列的主要方法有激光直寫加工技術(shù)、軟光刻技術(shù)、溶膠-凝膠技術(shù)、彈性模微透鏡再鑄模技術(shù)，以及表面起皺技術(shù)。然而，這些方法普遍存在很大的局限性需要昂貴的加工設(shè)備或者特殊的加工材料，加工效率較低且加工的工藝復(fù)雜，因而加工成本比較高；另外，這些工藝制作出的曲面微透鏡陣列精度不高，結(jié)構(gòu)參數(shù)比較固定，不能夠靈活調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法，利用飛秒激光逐點(diǎn)輻照輔助化學(xué)濕法刻蝕工藝，在玻璃棒表面實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的微透鏡陣列的制備。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣解決的一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟步驟一、選取直徑為l 50mm的玻璃棒用于制備微透鏡陣列；步驟二、將玻璃棒6固定在夾具7上，將夾具7的另一端固定在旋轉(zhuǎn)軸10上，旋轉(zhuǎn)軸10的另一端固定在三維精密位移平臺(tái)8上，計(jì)算機(jī)9與三維精密位移平臺(tái)8和旋轉(zhuǎn)軸10相連，控制兩者的運(yùn)動(dòng)，激光器I發(fā)射出脈沖寬度為3(Tl50fs、波長為325 1200nm，單脈沖能量為f IOOy J，重復(fù)頻率為IOHflOOKHz的激光，經(jīng)可控開關(guān)2、反射鏡4后，通過數(shù)值孔徑值為0. 3^0. 9的物鏡5聚焦到玻璃棒6表面，CXD攝像機(jī)3監(jiān)視整個(gè)加工過程；步驟三、根據(jù)加工所需，控制旋轉(zhuǎn)軸10的旋轉(zhuǎn)與三維精密位移平臺(tái)8的移動(dòng)，同時(shí)通過可控開關(guān)2控制單點(diǎn)的輻照時(shí)間在l(Tl000ms，在玻璃棒6表面燒蝕出所需的彈坑陣列；
步驟四將帶有燒蝕彈坑的玻璃棒6置于質(zhì)量濃度為2. 59TlO%的氫氟酸稀釋溶液中，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為3(T80攝氏度，時(shí)間為4(T80分鐘；步驟五、將玻璃棒6從氫氟酸的稀釋溶液中取出，在超聲波水浴條件下，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗，清洗時(shí)間均為5 10分鐘；即可得到表面具有微透鏡陣列的玻璃棒。所述的玻璃棒材料包括K9玻璃、石英玻璃或熔融石英，其圓柱面經(jīng)過拋光。所述的彈坑陣列為三角排列或正交排列的彈坑陣列。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明利用飛秒激光輔助濕法刻蝕工藝在玻璃棒表面制備微透鏡陣列，具有制備工藝簡單，加工效率很高；加工的微透鏡尺寸大小可調(diào)，且調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)精度高。 (2)本發(fā)明能夠通過控制激光燒蝕陣列來控制制備的透鏡形貌，能夠得到正六邊形、正方形微透鏡陣列。(3)本發(fā)明很容易就實(shí)現(xiàn)緊排列的微透鏡制備，且制備的微透鏡底面為球形，且表面光滑。


圖I為本發(fā)明玻璃棒表面微透鏡陣列的制備的飛秒激光加工裝置圖。圖2為實(shí)施例一制備得到的微透鏡陣列的SEM圖。圖3為實(shí)施例二制備得到的微透鏡陣列的SEM圖。圖4為實(shí)施例三制備得到的微透鏡陣列的SEM圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)敘述。實(shí)施例一本實(shí)施例包括以下步驟步驟一、選取直徑為3_的玻璃棒用于制備微透鏡陣列，玻璃棒為表面經(jīng)過拋光的K9玻璃；步驟二、將玻璃棒6固定在夾具7上，將夾具7固定在旋轉(zhuǎn)軸10上，旋轉(zhuǎn)軸10的另一端固定在三維精密位移平臺(tái)8上，計(jì)算機(jī)9與三維精密位移平臺(tái)8和旋轉(zhuǎn)軸10相連，控制兩者的運(yùn)動(dòng)，激光器I發(fā)射出的激光，激光參數(shù)為脈沖寬度為30fs、波長為800nm，單脈沖能量為J，重復(fù)頻率為lKHz，經(jīng)可控開關(guān)2、反射鏡4，然后通過數(shù)值孔徑值為0. 7的物鏡5聚焦到玻璃棒6表面，CXD攝像機(jī)3監(jiān)視整個(gè)加工過程；步驟三、根據(jù)加工所需，控制旋轉(zhuǎn)軸10的旋轉(zhuǎn)與三維精密位移平臺(tái)8的移動(dòng)，同時(shí)通過可控開關(guān)2控制單點(diǎn)的輻照時(shí)間在500ms，在玻璃棒6表面燒蝕出所需的三角排列的彈坑陣列；步驟四將帶有燒蝕的彈坑的玻璃棒6置于質(zhì)量濃度為5%的氫氟酸稀釋溶液中，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為30攝氏度，時(shí)間為50分鐘；步驟五、將玻璃棒6從氫氟酸的稀釋溶液中取出，在超聲波水浴條件下，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗，清洗時(shí)間均為10分鐘；即可得到表面具有微透鏡陣列的玻璃棒。本實(shí)施例形成六邊形的微透鏡陣列，單個(gè)微透鏡直徑約為60微米，深度7. 19微米。參考圖2所示，為在玻璃棒表面制備得到的微透鏡陣列SEM圖，單個(gè)透鏡尺寸大小約為60微米。在玻璃棒表面均勻分布著大概2700個(gè)微透鏡。實(shí)施例二步驟一、選取直徑為2_的玻璃棒用于制備微透鏡陣列，玻璃棒為表面經(jīng)過拋光的K9玻璃；步驟二、將玻璃棒6固定在夾具7上，將夾具7固定在旋轉(zhuǎn)軸10上，旋轉(zhuǎn)軸10的另一端固定在三維精密位移平臺(tái)8上，計(jì)算機(jī)9與三維精密位移平臺(tái)8和旋轉(zhuǎn)軸10相連， 控制兩者的運(yùn)動(dòng)，激光器I發(fā)射出的激光，激光參數(shù)為脈沖寬度為80fs、波長為400nm，單脈沖能量為I U J,重復(fù)頻率為lKHz，經(jīng)可控開關(guān)2、反射鏡4，然后通過數(shù)值孔徑值為0. 3的物鏡5聚焦到玻璃棒6表面，CXD攝像機(jī)3監(jiān)視整個(gè)加工過程；步驟三、根據(jù)加工所需，控制旋轉(zhuǎn)軸10的旋轉(zhuǎn)與三維精密位移平臺(tái)8的移動(dòng)，同時(shí)通過可控開關(guān)2控制單點(diǎn)的輻照時(shí)間在1000ms，在玻璃棒6表面燒蝕出所需的正交排列的彈坑陣列；步驟四將帶有燒蝕的彈坑的玻璃棒6置于質(zhì)量濃度為2. 5%的氫氟酸稀釋溶液中，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為30攝氏度，時(shí)間為60分鐘；步驟五、將玻璃棒6從氫氟酸的稀釋溶液中取出，在超聲波水浴條件下，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗，清洗時(shí)間均為5分鐘；即可得到表面具有微透鏡陣列的玻璃棒。參考圖3所示，為在玻璃棒表面制備得到的微透鏡陣列SM圖，本實(shí)施例形成四邊形的微透鏡陣列，單個(gè)微透鏡直徑約為60微米，深度7. 26微米。實(shí)施例三步驟一、選取直徑為IOmm的玻璃棒6用于制備微透鏡陣列，玻璃棒為表面經(jīng)過拋光的石英玻璃；步驟二、將玻璃棒6固定在夾具7上，將夾具7固定在旋轉(zhuǎn)軸10上，旋轉(zhuǎn)軸10的另一端固定在三維精密位移平臺(tái)8上，計(jì)算機(jī)9與三維精密位移平臺(tái)8和旋轉(zhuǎn)軸10相連，控制兩者的運(yùn)動(dòng)，激光器I發(fā)射出的激光，激光參數(shù)為脈沖寬度為30fs、波長為800nm，單脈沖能量為J，重復(fù)頻率為lOKHz，經(jīng)可控開關(guān)2、反射鏡4，然后通過數(shù)值孔徑值為0. 5的物鏡5聚焦到玻璃棒6表面，CXD攝像機(jī)3監(jiān)視整個(gè)加工過程；步驟三、根據(jù)加工所需，控制旋轉(zhuǎn)軸10的旋轉(zhuǎn)與三維精密位移平臺(tái)8的移動(dòng)，同時(shí)通過可控開關(guān)2控制單點(diǎn)的輻照時(shí)間在50ms，在玻璃棒6表面燒蝕出所需的三角排列的彈坑陣列；步驟四將帶有燒蝕的彈坑的玻璃棒6置于質(zhì)量濃度為5%的氫氟酸稀釋溶液中，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為60攝氏度，時(shí)間為40分鐘；步驟五、將玻璃棒6從氫氟酸的稀釋溶液中取出，在超聲波水浴條件下，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗，清洗時(shí)間為5分鐘；即可得到表面具有微透鏡陣列的玻璃棒。
參考圖4所示，為在玻璃棒表面制備得到的微透鏡陣列SEM圖，本實(shí)施例形成六邊形的微透鏡陣列，單個(gè)微透鏡直徑 約為30微米，深度6. 5微米。
權(quán)利要求
1.一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、選取直徑為f 50mm的玻璃棒用于制備微透鏡陣列； 步驟二、將玻璃棒(6)固定在夾具(7)上，將夾具(7)的另一端固定在旋轉(zhuǎn)軸(10)上，旋轉(zhuǎn)軸(10)的另一端固定在三維精密位移平臺(tái)(8)上，計(jì)算機(jī)(9)與三維精密位移平臺(tái)(8)和旋轉(zhuǎn)軸(10)相連，控制兩者的運(yùn)動(dòng)，激光器(I)發(fā)射出脈沖寬度為3(Tl50fs、波長為325 1200nm，單脈沖能量為I IOOy J，重復(fù)頻率為IOHz IOOKHz的激光，經(jīng)可控開關(guān)(2)、反射鏡(4)后，通過數(shù)值孔徑值為0. 3^0. 9的物鏡(5)聚焦到玻璃棒(6)表面，CXD攝像機(jī)(3)監(jiān)視整個(gè)加工過程； 步驟三、根據(jù)加工所需，控制旋轉(zhuǎn)軸(10)的旋轉(zhuǎn)與三維精密位移平臺(tái)(8)的移動(dòng)，同時(shí)通過可控開關(guān)(2)控制單點(diǎn)的輻照時(shí)間在l(Tl000ms，在玻璃棒(6)表面燒蝕出所需的彈坑陣列； 步驟四將帶有燒蝕彈坑的玻璃棒(6)置于質(zhì)量濃度為2. 59TlO%的氫氟酸稀釋溶液中，并且用超聲波水浴加熱輔助，加熱溫度為3(T80攝氏度，時(shí)間為4(T80分鐘； 步驟五、將玻璃棒(6)從氫氟酸的稀釋溶液中取出，在超聲波水浴條件下，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗，清洗時(shí)間均為5 10分鐘；即可得到表面具有微透鏡陣列的玻璃棒。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，所述的玻璃棒材料包括K9玻璃、石英玻璃或熔融石英，其圓柱面經(jīng)過拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，所述的彈坑陣列為三角排列或正交排列的彈坑陣列。
全文摘要
一種玻璃棒表面微透鏡陣列的制備方法，將用于制備微透鏡陣列的玻璃棒置于飛秒加工平臺(tái)上；根據(jù)加工所需，控制飛秒加工平臺(tái)的移動(dòng)，同時(shí)控制單點(diǎn)的輻照，在玻璃棒表面燒蝕出所需的彈坑陣列；將帶有燒蝕彈坑的玻璃棒置于氫氟酸稀釋溶液中，并且用超聲波水浴加熱輔助，將玻璃棒從氫氟酸的稀釋溶液中取出，在超聲波水浴條件下，依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中清洗；即可得到表面具有微透鏡陣列的玻璃棒；本發(fā)明利用飛秒激光逐點(diǎn)輻照輔助化學(xué)濕法刻蝕工藝，在玻璃棒表面實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的微透鏡陣列的制備。
文檔編號(hào)G02B3/00GK102757014SQ201210207758
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者侯洵, 劉賀煒, 司金海, 杜廣慶, 楊青, 邊浩, 鄧澤方, 陳烽 申請人:西安交通大學(xué)