微透鏡陣列作為微光學(xué)領(lǐng)域的一種重要元件,如何實(shí)現(xiàn)其高效加工一直是本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)環(huán)節(jié).但是傳統(tǒng)加工方法無(wú)法兼顧加工效率和加工質(zhì)量,激光埋種輔助刻蝕方法可實(shí)現(xiàn)微凹透鏡陣列的高效制備和微加工.本文回顧了這種新微加工方法的一系列探索工作,即采用空間光調(diào)制器對(duì)飛秒激光進(jìn)行相位調(diào)制,提供一種"激光埋種輔助刻蝕"的方法.該方法利用相位調(diào)制得到的多個(gè)焦點(diǎn)替代單個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行曝光,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微凹透鏡陣列的并行加工;同時(shí),結(jié)合對(duì)多個(gè)焦點(diǎn)的相對(duì)能量和空間位置的調(diào)節(jié),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)微凹透鏡形貌和光學(xué)參數(shù)的調(diào)控;從根本上改變了以往激光直寫(xiě)加工中對(duì)微納結(jié)構(gòu)逐點(diǎn)掃描的加工方式,從而實(shí)現(xiàn)了微陣列結(jié)構(gòu)的高效、高質(zhì)量加工. 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2020,50(08)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)單脈沖曝光“激光埋種刻蝕法”.(a)“激光埋種刻蝕法”加工光路示意圖;(b)3×3種子點(diǎn)陣示例,其中每個(gè)種子點(diǎn)直徑對(duì)應(yīng)其曝光的相對(duì)能量;單脈沖曝光形成的種子點(diǎn)陣的共聚焦顯微鏡照片(c)和原子力顯微鏡截面分析圖(d);(e)“激光埋種刻蝕法”制備的六角密排的微透鏡陣列示例,其中插入圖為其六角密排的種子點(diǎn)陣示意圖[11].版權(quán)?2018,美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)

在前兩小節(jié)中,利用SLM分別將飛秒激光焦點(diǎn)調(diào)制成沿XY平面分布的二維焦點(diǎn)陣列和沿Z軸分布的多個(gè)焦點(diǎn).而為了制備焦點(diǎn)沿Z向排布的雙焦點(diǎn)微透鏡仍然利用“激光埋種輔助刻蝕法”,只需將飛秒激光焦點(diǎn)調(diào)制成沿光軸排布的兩個(gè)焦點(diǎn),然后對(duì)待加工襯底石英進(jìn)行單脈沖曝光,得到對(duì)應(yīng)的上下兩個(gè)同軸微透鏡的種子點(diǎn),如圖3(a)所示.其中,第一透鏡(First Lens,FL)所對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn)位于石英襯底表面,第二透鏡(Second Lens,SL)位于石英襯底內(nèi)部(即FL種子點(diǎn)正下方),兩個(gè)種子點(diǎn)的間距可由全息圖靈活調(diào)控.之后再利用濕法刻蝕對(duì)曝光后的襯底進(jìn)行腐蝕,即可實(shí)現(xiàn)雙焦點(diǎn)微透鏡結(jié)構(gòu)的快速成型,如圖3(b)所示.圖3(c)依次為樣品經(jīng)過(guò)10,20,30,40,50,60 min腐蝕的結(jié)構(gòu)形貌,單脈沖曝光所用激光脈沖能量為86 nJ.由圖可知,經(jīng)過(guò)10–20 min的刻蝕,石英表面的種子點(diǎn)被腐蝕成具有較光滑內(nèi)表面的微球面,即FL;經(jīng)過(guò)30 min腐蝕后,FL直徑逐漸增大,并且其球面底部中心裸露出一個(gè)小孔洞,即SL對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn),說(shuō)明此時(shí)腐蝕深度已經(jīng)超過(guò)兩個(gè)種子點(diǎn)的間距;再繼續(xù)腐蝕10–30 min,可以看到FL直徑依然緩慢增加,而其底部的第二種子點(diǎn)則逐漸形成具有較光滑表面的SL,最終形成雙焦點(diǎn)微透鏡結(jié)構(gòu).隨著刻蝕時(shí)間的延長(zhǎng),雙焦點(diǎn)透鏡中的單個(gè)透鏡的半徑和深度的變化規(guī)律,與第3小節(jié)中介紹的單個(gè)微透鏡情況一致.即無(wú)論是FL還是SL,其半徑均隨刻蝕時(shí)間增加而逐漸增大,而深度基本保持不變.所形成具有光滑內(nèi)表面的FL的最小直徑為～16.0μm,SL的最小直徑為～25.0μm,形成的雙焦點(diǎn)透鏡的最終深度為13.5μm.其中,刻蝕速度的各向異性,使得SL開(kāi)始刻蝕后整個(gè)結(jié)構(gòu)的深度發(fā)生跳躍式增長(zhǎng).然而,在SL形成光滑近球面結(jié)構(gòu)之后,即使進(jìn)一步延長(zhǎng)刻蝕時(shí)間,雙焦點(diǎn)透鏡的整體深度仍然保持不變.結(jié)合第3和4小節(jié)的討論,關(guān)于雙焦點(diǎn)透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控,其中單個(gè)微透鏡的直徑主要通過(guò)飛秒激光脈沖能量來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控,而其深度則需要進(jìn)一步結(jié)合縱向多焦點(diǎn)曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控[10].圖3(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)激光埋種輔助刻蝕制備雙焦點(diǎn)透鏡.(a)雙焦點(diǎn)曝光示意圖;(b)濕法刻蝕快速成型示意圖;(c)雙焦點(diǎn)曝光后經(jīng)過(guò)不同刻蝕時(shí)間的結(jié)構(gòu)形貌的激光共聚焦顯微鏡照片;(d)結(jié)構(gòu)截面輪廓隨刻蝕時(shí)間的演化的截面分析曲線(xiàn);(e)所形成的第二透鏡與第一透鏡的面積比隨曝光的相對(duì)能量比的變化曲線(xiàn);(f)雙焦點(diǎn)透鏡成像效果[10].版權(quán)?2019,中國(guó)知網(wǎng)

圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)單脈沖曝光調(diào)控微透鏡數(shù)值孔徑.(a)對(duì)應(yīng)沿光軸排布的3,4,5個(gè)焦點(diǎn)的全息相位圖;(b)調(diào)制后的3,4,5個(gè)焦點(diǎn)分別沿光軸的排布情況;(c)單焦點(diǎn)曝光形成的微透鏡的半徑、深度和曲率半徑隨脈沖能量的變化曲線(xiàn);(d)單脈沖曝光并經(jīng)過(guò)40 min刻蝕形成的微透鏡的共聚焦顯微鏡照片,其曝光的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)依次為1?6;(e)對(duì)應(yīng)的截面輪廓;(f)刻蝕后形成的微透鏡的半徑和深度隨曝光焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化曲線(xiàn);(g)所形成微透鏡的曲率半徑、焦距和NA隨曝光焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化曲線(xiàn)[16].版權(quán)?2019,美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)圖3(d)依次為樣品經(jīng)過(guò)10,20,30,40,50,60 min腐蝕的結(jié)構(gòu)輪廓演化過(guò)程.經(jīng)過(guò)10 min后,FL所對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn)被腐蝕成矩形孔洞;經(jīng)過(guò)20 min后,該矩形孔洞演化為近球型圓孔,即形成FL;經(jīng)過(guò)30 min后,FL直徑進(jìn)一步增大,輪廓更貼近球型;同時(shí)可以觀察到其底部裸露出的SL所對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn)輪廓.當(dāng)腐蝕時(shí)間超過(guò)40 min時(shí),SL對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn)重復(fù)第一種子點(diǎn)的輪廓演化過(guò)程,即從縱深較深的矩形輪廓逐漸向球型演化、直至形成SL.同時(shí),縱向腐蝕使得整個(gè)結(jié)構(gòu)深度進(jìn)一步增加.當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到60 min時(shí),SL最終呈球型輪廓,整個(gè)雙焦點(diǎn)微透鏡結(jié)構(gòu)得以完整成型.對(duì)腐蝕過(guò)程中兩個(gè)微透鏡的直徑和深度分別進(jìn)行測(cè)量,可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)腐蝕過(guò)程中,結(jié)構(gòu)直徑呈遞增趨勢(shì),即橫向腐蝕速度整體保持均勻;對(duì)于結(jié)構(gòu)深度,在10–30 min和40–60 min這兩個(gè)區(qū)間,整個(gè)雙焦點(diǎn)微透鏡結(jié)構(gòu)的深度保持不變;而只有在30–40 min區(qū)間,結(jié)構(gòu)深度發(fā)生了6.6–13.5μm的激增.這是由于自30 min起,FL底部的種子點(diǎn)暴露出來(lái),從而導(dǎo)致縱向比其他方向具有更高的腐蝕速度.進(jìn)一步地,考慮到在“激光埋種”中,可通過(guò)全息圖所定義的子束波相對(duì)能量的大小直接調(diào)控最終形成的結(jié)構(gòu)尺寸,雙焦點(diǎn)微透鏡中FL和SL的尺寸大小同樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)其相對(duì)能量進(jìn)行控制,表明這種制備方法具有很高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性.如圖3(e)所示,當(dāng)改變?nèi)D中FL和SL所對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)的相對(duì)能量比時(shí),無(wú)論脈沖能量為69 nJ還是86 nJ,最終形成的兩個(gè)微透鏡的投影面積比也隨之發(fā)生顯著變化.在實(shí)際的微光學(xué)元件設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)具體的光束整形需求來(lái)選擇曝光時(shí)兩個(gè)焦點(diǎn)的相對(duì)能量比值.圖3(f)為所加工的雙焦點(diǎn)透鏡成像效果,其中主圖與插入圖分別為FL和SL所成的像.與雙焦點(diǎn)透鏡的雙球面結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng),其成像個(gè)數(shù)為2個(gè),而且FL成像明顯大于SL.進(jìn)一步地,比較不同曝光能量比的雙焦點(diǎn)透鏡的成像亮度,可發(fā)現(xiàn)SL成像的亮度隨能量比增加而增大,表面成像效果與對(duì)應(yīng)透鏡的投影面積相關(guān)[10].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于納飛秒雙脈沖激光的藍(lán)寶石蝕除研究[J]. 王懋露,梅偉,楊立軍,王揚(yáng).  中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2020(03)
[2]激光微加工在航空發(fā)動(dòng)機(jī)MRO中的應(yīng)用[J]. 周銳,張姿,洪明輝.  中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué). 2020(03)
[3]On-chip lithium niobate microresonators for photonics applications[J]. Li-Kun Chen,Yun-Feng Xiao.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2020(02)
[4]Driving mechanism of keyhole evolution during multi-pulse drilling with a millisecond laser[J]. Yue Zhang,Gang Yu,XiuLi He,ShaoXia Li,WeiJian Ning.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2019(10)
[5]Etching-assisted femtosecond laser microfabrication[J]. 劉墨南,李木天,楊罕,孫洪波.  Chinese Physics B. 2018(09)

博士論文
[1]基于空間光調(diào)制器的飛秒激光加工微光學(xué)元件技術(shù)研究[D]. 曹小文.吉林大學(xué) 2019



本文編號(hào)：3527138