本發(fā)明屬于光學元件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熔石英微凹柱透鏡陣列的制備方法。

背景技術(shù)：

微柱透鏡陣列廣泛應(yīng)用于高功率激光光束整形。熔石英以其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和良好的光學性能，極其適合用于強光條件下使用的微柱透鏡陣列的制備。目前，制作玻璃微透鏡陣列的方法有離子交換法、光敏玻璃熱成形法、離子束刻蝕圖形轉(zhuǎn)移法、激光直寫法等。然而，目前的玻璃材質(zhì)微透鏡陣列的制備方法有很大的局限性，有的方法只適用于某些特殊的玻璃，并且普遍存在加工過程復雜、耗時、效率低下以及成本高昂的特點。針對目前玻璃微柱透鏡陣列加工面臨的問題，研究出一種微柱透鏡制備新方法成為當務(wù)之急。

現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)明專利cn106125166a公開了一種原位調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)制備熔石英微透鏡陣列的方法，其采用脈沖式二氧化碳激光，通過脈沖式二氧化碳激光逐點輻照拼接的方式對熔石英樣品的表面進行輻照，得到正方形堆積排列和六角形堆積排列的圓形孔徑微透鏡陣列，論文文獻“fabricationofconcavemicrolensarraysbylocalfictivetemperaturemodificationoffusedsilica”，(vol.42,no.6；march152017；opticsletters)，同樣公開了一種采用脈沖式二氧化碳激光，通過脈沖式二氧化碳激光逐點輻照拼接的方式對熔石英樣品的表面進行輻照，得到正交堆積排列和六角形堆積排列的圓形孔徑微透鏡陣列，圖8示出了該方法制備得到六角形(a)堆積排列的微透鏡陣列的光學顯微圖像(a)和成像效果圖(b)以及正交堆積排列的微透鏡陣列的光學顯微圖像(c)和成像效果圖(d)，現(xiàn)有技術(shù)中得到的是圓形孔徑或六邊形、正方形等異形孔徑的微透鏡陣列，而對于一維的柱透鏡陣列，在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有相關(guān)的技術(shù)能夠制備得到。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種熔石英微凹柱透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、對熔石英光學樣片進行超聲清洗；

步驟二、從二氧化碳激光器獲得連續(xù)穩(wěn)定的二氧化碳激光；并使用掃描場鏡f-θ透鏡對二氧化碳激光進行聚焦；

步驟三、將超聲清洗后的熔石英樣片裝入夾具，并放置在f-θ透鏡聚焦的二氧化碳激光的焦點位置；同時將二氧化碳激光器設(shè)置為連續(xù)出光模式；

步驟四、采用振鏡系統(tǒng)掃描聚焦后的二氧化碳激光輻照熔石英樣片表面；

步驟五、二氧化碳激光輻照后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液進行濕法刻蝕；

步驟六、對濕法刻蝕形成的熔石英微凹柱透鏡陣列進行噴淋和超聲清洗，得到熔石英微凹柱透鏡陣列。

優(yōu)選的是，所述步驟四中，振鏡系統(tǒng)掃描熔石英樣片表面以平行逐行掃描的方式進行，制備得到平行微凹柱透鏡陣列；所述平行逐行掃描的掃描間距為0.1mm～1mm。

優(yōu)選的是，所述步驟四中，振鏡系統(tǒng)掃描熔石英樣片表面，首先以平行逐行掃描的方式進行，再接著以垂直于先前的掃描方向逐行掃描，制備得到正交微凹柱透鏡陣列；所述平行逐行掃描的掃描間距為0.1mm～1mm。

優(yōu)選的是，所述步驟四中，振鏡系統(tǒng)掃描熔石英樣片表面以螺旋形掃描的方式進行，制備得到螺旋微凹柱透鏡陣列；所述螺旋形掃描的掃描間距為0.1mm～1mm。

優(yōu)選的是，所述振鏡系統(tǒng)掃描的速度為1mm/s～3m/s；所述二氧化碳激光器為射頻激勵二氧化碳激光器，波長為10.6μm，光斑直徑尺寸范圍為100μm～2mm。

優(yōu)選的是，所述步驟一中，超聲清洗的方式為：將熔石英光學樣片加入堿性溶液中，并采用依次在60khz、80khz、120khz、160khz、180khz、200khz的超聲頻率下處理，每個頻率處理時間為3～5min，然后將熔石英光學樣片加入高純水中，在100～150khz的頻率下，超聲5～10min，烘干。

優(yōu)選的是，所述堿性溶液的制備方法為：按重量份，取氫氧化鈉5～10份、氫氧化鉀3～5份、尿素1～3份、edta四鈉1～3份、烷基糖苷1～3份加入150～200份60～70℃的水中，攪拌均勻，冷卻至室溫后，加入水200～300份、聚丙烯酸鈉0.5～1.5份、次氮基三乙酸0.1～0.3份、十八烷基二羥乙基氧化胺0.1～0.3份、葡萄糖酸鈉0.1～0.5份、2，4-二羥基二苯砜0.1～0.3份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸0.1～0.3份攪拌均勻，得到混合溶液，即堿性溶液。

優(yōu)選的是，所述混合溶液還包括以下處理過程：將混合溶液置于恒溫槽中，選用探頭式脈沖超聲波儀器對混合液進行超聲處理，所述探頭式脈沖超聲波儀器的探頭插入混合液下5～10cm，混合液的液面高度保持12～15cm，脈沖時間為15～20s，占空比為60％～85％，恒溫槽中控制溫度為25℃，聲強為100～500w/cm²，超聲頻率25～45khz，處理時間為60～120分鐘；所述探頭的直徑為20mm。

優(yōu)選的是，所述步驟一中，在超聲處理過程中，向清洗液溶液中通入氨氣；所述氨氣的通氣速率為50-100ml/min；所述步驟六中，超聲清洗采用將熔石英光學樣片加入高純水中，在100～150khz的頻率下，超聲5～10min，并在在超聲清洗過程中，向清新液中通入n2氣體；所述n2氣體的通氣速率為100-150ml/min。

優(yōu)選的是，所述步驟五中，濕法刻蝕的過程為：將輻照處理后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液中，并采用依次在0.8mhz、1mhz、1.2mhz、1.3mhz、1.5mhz的兆聲場頻率下進行刻蝕，每個兆聲場頻率刻蝕時間為5～10min；所述氫氟酸溶液的質(zhì)量分數(shù)為1～3％。

本發(fā)明利用連續(xù)二氧化碳激光輻照提高熔石英局域濕法刻蝕速率獲得微凹柱透鏡陣列。采用以上方案，直接在熔石英表面實現(xiàn)了平行微凹柱透鏡陣列、正交微凹柱透鏡陣列和螺旋微凹柱透鏡陣列的制造，制造的微凹柱透鏡陣列無實焦點，尤其適用于高功率光束整形等應(yīng)用。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

(1)采用本發(fā)明提供的熔石英微凹柱透鏡陣列的制備方法，利用功率恒定的連續(xù)二氧化碳激光；簡潔高效地直接在熔石英表面實現(xiàn)了一維的柱透鏡陣列，例如平行微凹柱透鏡陣列、正交微凹柱透鏡陣列和螺旋微凹柱透鏡陣列的制造，并且制造的一維的微凹柱透鏡陣列無實焦點，尤其適用于高功率光束整形等應(yīng)用。

(2)采用堿性溶液配合超聲的清洗方式，對熔石英光學樣片進行清洗，極大的提高了熔石英元件的表面潔凈度，有利于后期輻照處理過程。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明：

圖1為實施例1中得到的微凹柱透鏡陣列的光學顯微圖；

圖2為實施例1垂直于微凹柱透鏡陣列方向表面輪廓圖；

圖3為實施例1中光學顯微觀察微凹柱透鏡陣列成像效果圖；

圖4為實施例2中得到的正交微凹柱透鏡陣列的光學顯微圖；

圖5為實施例2光學顯微觀察正交微凹柱透鏡陣列成像效果圖；

圖6為實施例3中得到的螺旋微凹柱透鏡陣列光學顯微圖；

圖7為實施例3光學顯微觀察螺旋微凹柱透鏡陣列成像效果圖；

圖8為現(xiàn)有技術(shù)中得到的六角形(a)堆積排列的微透鏡陣列的光學顯微圖像(a)和成像效果圖(b)以及正交堆積排列的微透鏡陣列的光學顯微圖像(c)和成像效果圖(d)。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

應(yīng)當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

實施例1：

一種熔石英微凹柱透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、對熔石英光學樣片進行超聲清洗；

步驟二、從100w射頻激勵二氧化碳激光器(占空比100％)獲得連續(xù)穩(wěn)定的二氧化碳激光；并使用掃描場鏡f-θ透鏡對二氧化碳激光進行聚焦；

步驟三、將超聲清洗后的熔石英樣片裝入夾具，并放置在f-θ透鏡聚焦的二氧化碳激光的焦點位置；同時將二氧化碳激光器設(shè)置為連續(xù)出光模式；

步驟四、采用振鏡系統(tǒng)掃描聚焦后的二氧化碳激光以平行逐行掃描的方式輻照熔石英樣片表面；振鏡系統(tǒng)掃描速度為3m/s，掃描間距0.1mm；

步驟五、二氧化碳激光輻照后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液進行濕法刻蝕40分鐘；

步驟六、對濕法刻蝕形成的熔石英微凹柱透鏡陣列進行噴淋和超聲清洗，得到平行微凹柱透鏡陣列；如圖1所示，光學顯微圖像表明制備的微凹柱透鏡陣列光滑均勻；臺階儀垂直于柱透鏡方向采集的輪廓如圖2所示，輪廓曲線指出制備的各個柱透鏡凹面輪廓高度一致；光學顯微鏡觀察微凹柱透鏡陣列對底照明光源的成像效果如圖3所示，觀察到的一維虛像均勻明晰，說明制備的微凹柱透鏡陣列具有優(yōu)異的光學性能。

實施例2：

一種熔石英微凹柱透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、對熔石英光學樣片進行超聲清洗；

步驟二、從60w射頻激勵二氧化碳激光器(占空比100％)獲得連續(xù)穩(wěn)定的二氧化碳激光；并使用掃描場鏡f-θ透鏡對二氧化碳激光進行聚焦；

步驟三、將超聲清洗后的熔石英樣片裝入夾具，并放置在f-θ透鏡聚焦的二氧化碳激光的焦點位置；同時將二氧化碳激光器設(shè)置為連續(xù)出光模式；

步驟四、采用振鏡系統(tǒng)掃描聚焦后的二氧化碳激光平行逐行掃描石英樣片表面后，再以掃描方向改變90度的方式在先前輻照區(qū)平行逐行掃描；振鏡系統(tǒng)掃描速度為3m/s，掃描間距0.08mm；

步驟五、二氧化碳激光輻照后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液進行濕法刻蝕40分鐘；

步驟六、對濕法刻蝕形成的熔石英微凹柱透鏡陣列進行噴淋和超聲清洗，得到正交微凹柱透鏡陣列；如圖4所示，光學顯微圖像表明制備的正交結(jié)構(gòu)均勻；光學顯微鏡觀察正交微凹柱透鏡陣列對底照明光源的成像效果如圖5所示。

實施例3：

一種熔石英微凹柱透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、對熔石英光學樣片進行超聲清洗；

步驟二、從100w射頻激勵二氧化碳激光器(占空比100％)獲得連續(xù)穩(wěn)定的二氧化碳激光；并使用掃描場鏡f-θ透鏡對二氧化碳激光進行聚焦；

步驟三、將超聲清洗后的熔石英樣片裝入夾具，并放置在f-θ透鏡聚焦的二氧化碳激光的焦點位置；同時將二氧化碳激光器設(shè)置為連續(xù)出光模式；

步驟四、采用振鏡系統(tǒng)掃描聚焦后的二氧化碳激光以螺旋形方式輻照熔石英樣片表面；振鏡系統(tǒng)掃描速度為3m/s，掃描間距0.1mm；

步驟五、二氧化碳激光輻照后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液進行濕法刻蝕40分鐘；

步驟六、對濕法刻蝕形成的熔石英微凹柱透鏡陣列進行噴淋和超聲清洗，得到螺旋微凹柱透鏡陣列；如圖6所示，光學顯微圖像表明制備的螺旋結(jié)構(gòu)均勻；光學顯微鏡觀察螺旋微凹柱透鏡陣列對底照明光源的成像效果如圖7所示。

實施例4：

所述步驟一中，超聲清洗的方式為：將熔石英光學樣片加入堿性溶液中，并采用依次在60khz、80khz、120khz、160khz、180khz、200khz的超聲頻率下處理，每個頻率處理時間為3min，然后將熔石英光學樣片加入高純水中，在100khz的頻率下，超聲5～10min，烘干；采用多頻超聲波清洗，頻率逐步提升，在低頻超聲波作用下可以清洗大顆粒物質(zhì)，在高頻超聲波作用下可以清洗小顆粒物質(zhì)，實現(xiàn)對熔石英元件的全面清洗；

其與工藝參數(shù)和過程與實施例1中的完全相同，制備得到平行微凹柱透鏡陣列。

實施例5：

所述堿性溶液的制備方法為：按重量份，取氫氧化鈉8份、氫氧化鉀4份、尿素2份、edta四鈉2份、烷基糖苷2份加入200份65℃的水中，攪拌均勻，冷卻至室溫后，加入水250份、聚丙烯酸鈉1份、次氮基三乙酸0.2份、十八烷基二羥乙基氧化胺0.2份、葡萄糖酸鈉0.3份、2，4-二羥基二苯砜0.2份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸0.2份攪拌均勻，得到混合溶液，將混合溶液置于恒溫槽中，選用探頭式脈沖超聲波儀器對混合液進行超聲處理，得到堿性溶液；所述探頭式脈沖超聲波儀器的探頭插入混合液下8m，混合液的液面高度保持14cm，脈沖時間為20s，占空比為70％，恒溫槽中控制溫度為25℃，聲強為300w/cm²，超聲頻率35khz，處理時間為90分鐘；所述探頭的直徑為20mm；采用探頭式脈沖超聲波儀器對堿性溶液進行預(yù)處理，可以使堿性溶液各成分的混合更加的均勻，且可以消除制備堿性溶液過程中產(chǎn)生的泡沫，使堿性溶液對熔石英光學元件的清洗效果更佳，并且清洗后堿性溶液的殘留量更少，有利于后期輻照處理；

其余參數(shù)和工藝過程與實施例4中的完全相同，制備得到平行微凹柱透鏡陣列。

實施例6：

所述步驟一中，超聲清洗的方式為：將熔石英光學樣片加入堿性溶液中，并采用依次在60khz、80khz、120khz、160khz、180khz、200khz的超聲頻率下處理，每個頻率處理時間為5min，然后將熔石英光學樣片加入高純水中，在120khz的頻率下，超聲10min，烘干；在超聲處理過程中，向清洗液溶液中通入氨氣；所述氨氣的通氣速率為80ml/min；

所述步驟六中，超聲清洗采用將熔石英光學樣片加入高純水中，在120khz的頻率下，超聲8min，并在在超聲清洗過程中，向清新液中通入n2氣體；所述n2氣體的通氣速率為120ml/min；氮氣的通入可以增強對雜質(zhì)的去除力度，并且產(chǎn)生的氣泡可以帶走雜質(zhì)顆粒物，使清洗效果更佳；

其余參數(shù)和工藝過程與實施例2中的完全相同，制備得到正交微凹柱透鏡陣列。

實施例7：

所述堿性溶液的制備方法為：按重量份，取氫氧化鈉10份、氫氧化鉀3份、尿素1份、edta四鈉2份、烷基糖苷2份加入200份65℃的水中，攪拌均勻，冷卻至室溫后，加入水250份、聚丙烯酸鈉1份、次氮基三乙酸0.2份、十八烷基二羥乙基氧化胺0.1份、葡萄糖酸鈉0.3份、2，4-二羥基二苯砜0.2份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸0.2份攪拌均勻，得到混合溶液，將混合溶液置于恒溫槽中，選用探頭式脈沖超聲波儀器對混合液進行超聲處理，得到堿性溶液；所述探頭式脈沖超聲波儀器的探頭插入混合液下5m，混合液的液面高度保持15cm，脈沖時間為20s，占空比60％，恒溫槽中控制溫度為25℃，聲強為300w/cm²，超聲頻率35khz，處理時間為90分鐘；所述探頭的直徑為20mm。

其余參數(shù)和工藝過程與實施例6中的完全相同，制備得到正交微凹柱透鏡陣列。

實施例8：

所述步驟五中，濕法刻蝕的過程為：將輻照處理后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液中，并采用依次在0.8mhz、1mhz、1.2mhz、1.3mhz、1.5mhz的兆聲場頻率下進行刻蝕，每個兆聲場頻率刻蝕時間為8min；所述氫氟酸溶液的質(zhì)量分數(shù)為2％；采用多頻刻蝕，頻率逐步提升，在低頻作用下可以消除大顆粒污染物，在高頻作用下可以消除小顆粒污染物，有效去除熔石英元件掃描輻照處理過程中引入的污染物，極大提高了熔石英元件的潔凈度；

其余參數(shù)和工藝過程與實施例3中的完全相同，制備得到螺旋微凹柱透鏡陣列。

實施例9：

所述步驟五中，濕法刻蝕的過程為：將輻照處理后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液中，并采用依次在0.8mhz、1mhz、1.2mhz、1.3mhz、1.5mhz的兆聲場頻率下進行刻蝕，每個兆聲場頻率刻蝕時間為8min；所述氫氟酸溶液的質(zhì)量分數(shù)為2.5％；

其余參數(shù)和工藝過程與實施例6中的完全相同，制備得到正交微凹柱透鏡陣列。

實施例10：

所述步驟五中，濕法刻蝕的過程為：將輻照處理后的熔石英樣片放入氫氟酸溶液中，并采用依次在0.8mhz、1mhz、1.2mhz、1.3mhz、1.5mhz的兆聲場頻率下進行刻蝕，每個兆聲場頻率刻蝕時間為8min；所述氫氟酸溶液的質(zhì)量分數(shù)為2.5％；

其余參數(shù)和工藝過程與實施例7中的完全相同，制備得到正交微凹柱透鏡陣列。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。