發(fā)布時間：2021-12-01 22:03

　　微透鏡陣列作為微光學(xué)領(lǐng)域的一種重要元件,如何實現(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)制得到的多個焦點替代單個焦點進(jìn)行曝光,實現(xiàn)了對微凹透鏡陣列的并行加工;同時,結(jié)合對多個焦點的相對能量和空間位置的調(diào)節(jié),能夠?qū)崿F(xiàn)對每個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加工中對微納結(jié)構(gòu)逐點掃描的加工方式,從而實現(xiàn)了微陣列結(jié)構(gòu)的高效、高質(zhì)量加工. 

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

【文章頁數(shù)】：8 頁

【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種子點陣示例,其中每個種子點直徑對應(yīng)其曝光的相對能量;單脈沖曝光形成的種子點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陣示意圖[11].版權(quán)?2018,美國光學(xué)學(xué)會

在前兩小節(jié)中,利用SLM分別將飛秒激光焦點調(diào)制成沿XY平面分布的二維焦點陣列和沿Z軸分布的多個焦點.而為了制備焦點沿Z向排布的雙焦點微透鏡仍然利用“激光埋種輔助刻蝕法”,只需將飛秒激光焦點調(diào)制成沿光軸排布的兩個焦點,然后對待加工襯底石英進(jìn)行單脈沖曝光,得到對應(yīng)的上下兩個同軸微透鏡的種子點,如圖3(a)所示.其中,第一透鏡(First Lens,FL)所對應(yīng)的種子點位于石英襯底表面,第二透鏡(Second Lens,SL)位于石英襯底內(nèi)部(即FL種子點正下方),兩個種子點的間距可由全息圖靈活調(diào)控.之后再利用濕法刻蝕對曝光后的襯底進(jìn)行腐蝕,即可實現(xiàn)雙焦點微透鏡結(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10–20 min的刻蝕,石英表面的種子點被腐蝕成具有較光滑內(nèi)表面的微球面,即FL;經(jīng)過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小孔洞,即SL對應(yīng)的種子點,說明此時腐蝕深度已經(jīng)超過兩個種子點的間距;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則逐漸形成具有較光滑表面的SL,最終形成雙焦點微透鏡結(jié)構(gòu).隨著刻蝕時間的延長,雙焦點透鏡中的單個透鏡的半徑和深度的變化規(guī)律,與第3小節(jié)中介紹的單個微透鏡情況一致.即無論是FL還是SL,其半徑均隨刻蝕時間增加而逐漸增大,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開始刻蝕后整個結(jié)構(gòu)的深度發(fā)生跳躍式增長.然而,在SL形成光滑近球面結(jié)構(gòu)之后,即使進(jìn)一步延長刻蝕時間,雙焦點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)于雙焦點透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)控,其中單個微透鏡的直徑主要通過飛秒激光脈沖能量來精準(zhǔn)調(diào)控,而其深度則需要進(jìn)一步結(jié)合縱向多焦點曝光來實現(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透鏡.(a)雙焦點曝光示意圖;(b)濕法刻蝕快速成型示意圖;(c)雙焦點曝光后經(jīng)過不同刻蝕時間的結(jié)構(gòu)形貌的激光共聚焦顯微鏡照片;(d)結(jié)構(gòu)截面輪廓隨刻蝕時間的演化的截面分析曲線;(e)所形成的第二透鏡與第一透鏡的面積比隨曝光的相對能量比的變化曲線;(f)雙焦點透鏡成像效果[10].版權(quán)?2019,中國知網(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)對應(yīng)沿光軸排布的3,4,5個焦點的全息相位圖;(b)調(diào)制后的3,4,5個焦點分別沿光軸的排布情況;(c)單焦點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;(d)單脈沖曝光并經(jīng)過40 min刻蝕形成的微透鏡的共聚焦顯微鏡照片,其曝光的焦點個數(shù)依次為1?6;(e)對應(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個數(shù)的變化曲線;(g)所形成微透鏡的曲率半徑、焦距和NA隨曝光焦點個數(shù)的變化曲線[16].版權(quán)?2019,美國光學(xué)學(xué)會圖3(d)依次為樣品經(jīng)過10,20,30,40,50,60 min腐蝕的結(jié)構(gòu)輪廓演化過程.經(jīng)過10 min后,FL所對應(yīng)的種子點被腐蝕成矩形孔洞;經(jīng)過20 min后,該矩形孔洞演化為近球型圓孔,即形成FL;經(jīng)過30 min后,FL直徑進(jìn)一步增大,輪廓更貼近球型;同時可以觀察到其底部裸露出的SL所對應(yīng)的種子點輪廓.當(dāng)腐蝕時間超過40 min時,SL對應(yīng)的種子點重復(fù)第一種子點的輪廓演化過程,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,縱向腐蝕使得整個結(jié)構(gòu)深度進(jìn)一步增加.當(dāng)腐蝕時間達(dá)到60 min時,SL最終呈球型輪廓,整個雙焦點微透鏡結(jié)構(gòu)得以完整成型.對腐蝕過程中兩個微透鏡的直徑和深度分別進(jìn)行測量,可以發(fā)現(xiàn),在整個腐蝕過程中,結(jié)構(gòu)直徑呈遞增趨勢,即橫向腐蝕速度整體保持均勻;對于結(jié)構(gòu)深度,在10–30 min和40–60 min這兩個區(qū)間,整個雙焦點微透鏡結(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底部的種子點暴露出來,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,可通過全息圖所定義的子束波相對能量的大小直接調(diào)控最終形成的結(jié)構(gòu)尺寸,雙焦點微透鏡中FL和SL的尺寸大小同樣可以通過調(diào)節(jié)其相對能量進(jìn)行控制,表明這種制備方法具有很高的結(jié)構(gòu)設(shè)計性.如圖3(e)所示,當(dāng)改變?nèi)D中FL和SL所對應(yīng)焦點的相對能量比時,無論脈沖能量為69 nJ還是86 nJ,最終形成的兩個微透鏡的投影面積比也隨之發(fā)生顯著變化.在實際的微光學(xué)元件設(shè)計中,可以根據(jù)具體的光束整形需求來選擇曝光時兩個焦點的相對能量比值.圖3(f)為所加工的雙焦點透鏡成像效果,其中主圖與插入圖分別為FL和SL所成的像.與雙焦點透鏡的雙球面結(jié)構(gòu)相對應(yīng),其成像個數(shù)為2個,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,表面成像效果與對應(yīng)透鏡的投影面積相關(guān)[10].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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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：3527138