專利名稱：一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微納結構與器件制備和飛秒激光微納加工領域，特別涉及ー種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法。
背景技術：
自然界中的昆蟲具有不同于人類眼睛的視覺成像系統(tǒng)。昆蟲復眼由KT30000個小眼睛組成，小眼尺寸為IOunTMOum,它們均勻的排列在半球狀的眼球上，每個小眼睛能夠単獨成像。由于這些小眼睛呈曲面排布，它們獨立接受一定角度的光線，導致復眼的視角范圍非常廣；同時復眼對于動態(tài)目標的捕捉速度要遠遠快于單眼成像系統(tǒng)。這些獨特的光學性能在エ業(yè)、醫(yī)學與軍事領域都有著潛在的應用，引起了各國科學家的廣泛關注。到目前為止，大多數(shù)已發(fā)表的研究成果都是平面復眼結構，采用激光直寫加工和光刻エ藝在曲面上制作復雜的微透鏡結構是非常困難的，通常采用平面微透鏡陣列與小孔陣列相結合制備平面復眼結構，但是這種平面結構限制了復眼的視角不可能很大。為了減小器件尺寸以及擴 大視角，微透鏡陣列必須采用曲面排列方式。經(jīng)過對現(xiàn)有技術文獻的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前實現(xiàn)了曲面排列的微透鏡陣列的制備方法主要有激光直寫光刻法、軟刻蝕法、溶膠-凝膠法以及彈性模微透鏡再鑄模エ藝。這些加工方法普遍需要昂貴的加工設備、較長的加工時間以及復雜的加工エ序，導致成本居高不下，同時制作出的曲面復眼結構精度不高，結構參數(shù)不能靈活調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，利用飛秒激光輔助的化學濕法刻蝕エ藝，結合平面澆鑄與熱機械變形エ藝，實現(xiàn)了復眼結構微透鏡陣列的高重復性、低成本批量生產(chǎn)，同時相關參數(shù)靈活可調(diào)。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣解決的一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，包括以下步驟步驟一、選取用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料；步驟ニ、將用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料固定在三維精密位移臺上，選用脈沖寬度為2(T200fs、波長為325 1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0. 3^0. 9的物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面；步驟三、超短脈沖激光單脈沖能量10nr5mJ，重復頻率IOHz IOOKHz，使超短脈沖激光作用于材料表面，配合三維精密位移臺的移動，燒蝕出所需的彈坑陣列；步驟四、將燒蝕出彈坑陣列的硬質(zhì)材料置于體積濃度為39^15%的氫氟酸稀釋液中進行腐蝕，腐蝕時間為30mirTl50min，制備微透鏡陣列模板；輔以23°C條件下的水浴加熱，并依次經(jīng)過丙酮、無水こ醇和去離子水清洗，清洗時間各為3mirT5min，并干燥；步驟五、采用平面澆鑄エ藝將0. 08g/m廣0. 20g/ml的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的氯仿溶液均勻涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脫摸，薄膜厚度控制在 120unT200um 之間；步驟六、將ー個直徑lmnT20mm，表面光滑的小球加熱到80°C 160°C，用球冠對PMMA薄膜的背面進行均勻擠壓，直到薄膜包覆住半球，形成半球殼狀結構，自然冷卻到室溫分離小球，即可得到復眼結構微透鏡陣列。所說的用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料為六面拋光的石英玻璃或K9玻璃。所說的微透鏡陣列模板為六邊形排布的凹透鏡陣列。所說的PMMA的氯仿溶液為均勻穩(wěn)定無氣泡的溶液，制備的微透鏡陣列PMMA薄膜為透明厚薄均勻的凸透鏡陣列薄膜。所說的表面光滑的小球為金屬或玻璃材質(zhì)的均勻小球。
所說的熱機械變形エ藝是將加熱小球置于薄膜無結構的一面上，通過球冠均勻擠壓薄膜，讓薄膜和小球相對運動，產(chǎn)生熱變形，形成半球殼狀的結構。本發(fā)明利用物鏡將一束飛秒激光聚焦在材料表面燒蝕出彈坑陣列，采用氫氟酸稀釋溶液腐蝕得到微透鏡陣列模板，通過平面澆鑄エ藝得到PMMA材質(zhì)的微透鏡陣列薄膜，最后通過熱機械變形エ藝實現(xiàn)復眼結構微透鏡陣列的制備本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明利用飛秒激光輔助的濕法刻蝕エ藝制備微透鏡陣列模板，具有制備エ藝簡單，加工尺寸范圍大，精度高的特點，從而能夠靈活調(diào)控復眼結構微透鏡陣列的表面小眼尺寸與數(shù)量。(2)本發(fā)明利用平面澆鑄エ藝制備的PMMA材質(zhì)的微透鏡陣列薄膜，具有制備エ藝簡單，成本低，效率高，質(zhì)量好的特點，同時PMMA材質(zhì)易于熱變形加工，可以方便的做成復雜的曲面形狀。(3)本發(fā)明利用熱機械變形エ藝制備復眼結構微透鏡陣列，具有制備エ藝簡單，靈活高效，不需要復雜的加工設備等特點，成品機械性能與光學性能均能滿足實際應用需求。


圖I為本發(fā)明ー種新型的復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法的飛秒激光加工裝置圖。圖2為制備得到的復眼結構微透鏡陣列的SEM圖。圖3為制備得到的復眼結構微透鏡陣列的光學性能測試圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做詳細敘述。參照圖1，實現(xiàn)本發(fā)明時，先要組裝光路，光路由激光加載系統(tǒng)和樣品夾持系統(tǒng)依次連接而成，激光加載系統(tǒng)由飛秒激光器I和可控光開關2、反射鏡4和顯微物鏡5組成。飛秒激光器I發(fā)出的光束經(jīng)過可控光開關2，反射鏡4和顯微物鏡5聚焦在硬質(zhì)材料表面；其中可控光開關2控制激光的通斷和照射時間，硬質(zhì)材料由樣品夾持系統(tǒng)6夾持固定在三維精密移動平移臺7和8上，通過計算機9控制三維移動平臺7和8的精密位移來完成飛秒激光對微透鏡陣列光束整形器的制備，整個加工過程的圖像由CXD 3拍攝并監(jiān)控。實施例一
步驟一、選取用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料K9玻璃；步驟ニ、將用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料固定在三維精密位移臺上，選用脈沖寬度為30fs、波長為800nm的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0. 3物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面；步驟三、超短脈沖激光單脈沖能量2. 5uJ,重復頻率IKHz，使超短脈沖激光作用于材料表面，配合三維精密位移臺的移動，燒蝕出所需的彈坑陣列；步驟四、將燒蝕出彈坑陣列的硬質(zhì)材料置于體積濃度為3%的氫氟酸稀釋液中進行腐蝕，腐蝕時間120分鐘，制備微透鏡陣列模板；輔以超聲波振蕩水浴加熱，加熱溫度為23°C，形成六邊形的微透鏡，制得的微透鏡陣列模板分別用丙酮、無水こ醇和去離子水清洗，清洗時間各為3min，并干燥。
步驟五、采用平面澆鑄エ藝將0. 085g/ml的PMMA的氯仿溶液均勻涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脫模，薄膜厚度為120um;步驟六、將ー個直徑3mm，表面光滑的小球加熱到100°C，用球冠對PMMA薄膜的背面進行均勻擠壓，直到薄膜包覆住半球，形成半球殼狀結構。自然冷卻到室溫分離小球，即可得到復眼結構微透鏡陣列。參照圖2所示，為制備得到的復眼結構微透鏡陣列的SEM圖。參考圖3所示，為制備得到的復眼結構微透鏡陣列的光學性能測試圖，無論在球殼頂部還是邊緣，微透鏡均能清晰成像。實施例ニ步驟一、選取用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料K9玻璃；步驟ニ、將用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料固定在三維精密位移臺上，選用脈沖寬度為50む、波長為400nm的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0. 5物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面；步驟三、超短脈沖激光單脈沖能量5uJ，重復頻率IKHz，使超短脈沖激光作用于材料表面，配合三維精密位移臺的移動，燒蝕出所需的彈坑陣列；步驟四、將燒蝕出彈坑陣列的硬質(zhì)材料置于體積濃度為5%的氫氟酸稀釋液中進行腐蝕，腐蝕時間90分鐘，制備微透鏡陣列模板；輔以超聲波振蕩水浴加熱，加熱溫度為23°C，形成六邊形的微透鏡。制得的微透鏡陣列模板分別用丙酮、無水こ醇和去離子水清洗，清洗時間各為4min，并干燥。步驟五、采用平面澆鑄エ藝將0. 10g/ml的PMMA的氯仿溶液均勻涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脫模,薄膜厚度為140um ；步驟六、將ー個直徑5mm，表面光滑的小球加熱到120°C，用球冠對PMMA薄膜的背面進行均勻擠壓，直到薄膜包覆住半球，形成半球殼狀結構。自然冷卻到室溫分離小球，即可得到復眼結構微透鏡陣列。實施例三步驟一、選取用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料K9玻璃；步驟ニ、將用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料固定在三維精密位移臺上，選用脈沖寬度為lOOfs、波長為325nm的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0. 9物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面；
步驟三、超短脈沖激光單脈沖能量10uJ，重復頻率lKHz，使超短脈沖激光作用于材料表面，配合三維精密位移臺的移動，燒蝕出所需的彈坑陣列；步驟四、將燒蝕出彈坑陣列的硬質(zhì)材料置于體積濃度為10%的氫氟酸稀釋液中進行腐蝕，腐蝕時間60分鐘，制備微透鏡陣列模板；輔以超聲波振蕩水浴加熱，加熱溫度為23°C，形成六邊形的微透鏡；制得的微透鏡陣列模板分別用丙酮、無水こ醇和去離子水清洗，清洗時間各為5min，并干燥。步驟五、采用平面澆鑄エ藝將0. 15g/ml的PMMA的氯仿溶液均勻涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脫模，薄膜厚度為150um ； 步驟六、將ー個直徑10mm，表面光滑的小球加熱到140°C，用球冠對PMMA薄膜的背面進行均勻擠壓，直到薄膜包覆住半球，形成半球殼狀結構。自然冷卻到室溫分離小球，即可得到復眼結構微透鏡陣列。
權利要求
1.一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、選取用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料； 步驟二、將用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料固定在三維精密位移臺上，選用脈沖寬度為2(T200fs、波長為325 1200nm的超短脈沖激光，經(jīng)數(shù)值孔徑值為0. 3^0. 9的物鏡聚焦在硬質(zhì)材料表面； 步驟三、超短脈沖激光單脈沖能量10nr5mJ，重復頻率IOHz IOOKHz，使超短脈沖激光作用于材料表面，配合三維精密位移臺的移動，燒蝕出所需的彈坑陣列； 步驟四、將燒蝕出彈坑陣列的硬質(zhì)材料置于體積濃度為39T15%的氫氟酸稀釋液中進行腐蝕，腐蝕時間為30mirTl50min，制備微透鏡陣列模板；輔以23°C條件下的水浴加熱，并依次經(jīng)過丙酮、無水乙醇和去離子水清洗，清洗時間各為3mirT5min，并干燥； 步驟五、采用平面澆鑄工藝將0. 08g/mr0. 20g/ml的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的氯仿溶液均勻涂覆在模板表面，自然干燥固化，形成透明的PMMA薄膜并脫模，薄膜厚度控制在120um 200um 之間； 步驟六、將一個直徑lmnT20mm，表面光滑的小球加熱到80°C 160°C，用球冠對PMMA薄膜的背面進行均勻擠壓，直到薄膜包覆住半球，形成半球殼狀結構，自然冷卻到室溫分離小球，即可得到復眼結構微透鏡陣列。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，其特征在于，所述的用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料為六面拋光的石英玻璃或K9玻璃。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，其特征在于，所說的微透鏡陣列模板為六邊形排布的凹透鏡陣列。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，其特征在于，所說的PMMA的氯仿溶液為均勻穩(wěn)定無氣泡的溶液，制備的微透鏡陣列PMMA薄膜為透明厚薄均勻的凸透鏡陣列薄膜。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，其特征在于，所說的表面光滑的小球為金屬或玻璃材質(zhì)的均勻小球。
全文摘要
一種復眼結構微透鏡陣列的微納制備方法，將用于制備微透鏡陣列模板的硬質(zhì)材料固定在三維精密位移臺上，使超短脈沖激光作用于材料表面，燒蝕出所需的彈坑陣列；將燒蝕出彈坑陣列的硬質(zhì)材料置于氫氟酸稀釋液中進行腐蝕，采用平面澆鑄工藝將PMMA氯仿溶液均勻涂覆在模板表面，自然干燥固化；將小球加熱，用球冠對PMMA薄膜的背面進行均勻擠壓，直到薄膜包覆住半球，形成半球殼狀結構，即可得到復眼結構微透鏡陣列；本發(fā)明實現(xiàn)了復眼結構微透鏡陣列的高重復性、低成本批量生產(chǎn)，同時相關參數(shù)靈活可調(diào)。
文檔編號B81C1/00GK102759763SQ20121020821
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2012年6月21日
發(fā)明者侯洵, 劉賀煒, 司金海, 杜廣慶, 楊青, 瞿譜波, 邊浩, 陳烽 申請人:西安交通大學