折射型红外微透镜阵列器件的发展及制备
发布时间：2020-12-21 07:32
光学器件的小型化、集成化是现代光学系统发展的重要趋势。在微小光学器件中,阵列化折射成像微光学器件主要包括微透镜阵列器件等,广泛应用于成像、计量、波束整形等领域。针对红外波段成像、计量测量、激光加工等领域的特殊应用需求,红外波段工作的微透镜阵列器件受到了广泛重视,并得到迅速发展。总结了红外微透镜阵列器件的发展及制备方法,包括使用不同材料、不同制造方法制备红外微光学器件,以及红外微透镜阵列器件在红外波段成像、计量、并行加工、光束匀化方面的应用,分析了红外微透镜阵列器件及其制造方法存在的挑战与机遇。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
超精密机械加工Si基红外微透镜阵列[40]。（a）装备金刚石刀具的微加工系统；（b）制备的Si基微透镜阵列表面形貌
基于飞秒激光诱导刻蚀的微纳加工是一种高效成型方法[49]，首先用激光在红外半导体材料表面高速诱导出微改性区点阵，该区域中材料晶格结构和化学键的键角发生改变，物质的化学反应活性增强，与刻蚀剂作用时反应速率会比未被激光辐照的区域高两个数量级，使被辐照的区域在刻蚀时具有选择性，从而实现材料的高效定向去除，形成优质的微光学面型。Pan等[56-57]利用飞秒激光诱导化学刻蚀法在Si衬底上制备了平凹微透镜阵列器件，如图3所示。将再生放大飞秒激光光源输出的高斯飞秒脉冲（中心波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为1kHz）使用显微物镜（10×，数值孔径NA=0.3）聚焦到Si衬底表面，激光单脉冲能量为20μJ，每个辐照点的脉冲数为50发，即每点激光沉积能量为1mJ，经扫描依次曝光形成点阵。激光处理过的衬底用超声依次在丙酮、乙醇、去离子水中清洗，然后使用HNA混合酸刻蚀剂（HF-40%,HNO3-69%和HAC-99%的质量比为3∶12∶10）进行化学刻蚀，其中HNO3可将Si氧化，HF可去除氧化生成的SiO2溶解，HAC为缓冲剂[58]。经刻蚀、化学抛光可并行形成微尺度的光学表面。图3 飞秒激光辅助湿法刻蚀法制备Si基微透镜阵列流程图[56]
图2 Si基微透镜/反射锥耦合器件[44]。（a）耦合阵列结构的加工与集成原理；（b）微反射锥孔截面的扫描电镜照片（SEM);(c）微透镜阵列的扫描电镜照片；（d）所制备器件形成的输出焦点阵列；（e）单个汇聚焦点刻蚀中微凹面的形貌演化如图4所示，初始HF溶解改性区，形成一个凹面结构，随后以此为中心不断发生氧化和溶解。由于HNA刻蚀剂是一种各向同性刻蚀剂，最终会以加工作用点为中心形成球面抛光的光学面，经测量凹面直径为58μm，深度为12μm，计算获得的球面曲率半径为40μm。通过控制刻蚀时间，使微凹面边缘相切，填充比可达78%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Broadband mid-IR antireflective Reuleaux-triangle-shaped hole array on germanium[J]. 程海娟,东苗,谭钦文,孟令海,蔡毅,姜杰,杨伟声,钟海政,王岭雪. Chinese Optics Letters. 2019(12)
[2]Chip-integrated plasmonic flat optics for mid-infrared full-Stokes polarization detection[J]. JING BAI,CHU WANG,XIAHUI CHEN,ALI BASIRI,CHAO WANG,YU YAO. Photonics Research. 2019(09)
[3]Multifunctional geometric phase optical element for high-efficiency full Stokes imaging polarimetry[J]. YANMENG DAI,YUQUAN ZHANG,YOUPENG XIE,DAPENG WANG,XIANYOU WANG,ITING LEI,CHANGJUN MIN,XIAOCONG YUAN. Photonics Research. 2019(09)
[4]Tunable protein microlens array[J]. 侯智善,曹嘉冀,李爱武,杨罕. Chinese Optics Letters. 2019(06)
[5]Snapshot imaging spectrometer based on a microlens array[J]. 张泽霞,常军,任虹禧,樊恺元,李冬梅. Chinese Optics Letters. 2019(01)
[6]Multipartite entanglement generation with dipole induced transparency effect in indirectly coupled dipole-microcavity systems[J]. 彭朝晖,贾春霞,张玉青,朱中华,刘小娟. Chinese Optics Letters. 2018(08)
[7]Experimental demonstration of dissipative sensing in a self-interference microring resonator[J]. SHUAI WAN,RUI NIU,HONG-LIANG REN,CHANG-LING ZOU,GUANG-CAN GUO,CHUN-HUA DONG. Photonics Research. 2018(07)
[8]Nonlinear optical properties of integrated GeSbS chalcogenide waveguides[J]. SAMUEL SERNA,HONGTAO LIN,CARLOS ALONSO-RAMOS,ANUPAMA YADAV,XAVIER LE ROUX,KATHLEEN RICHARDSON,ERIC CASSAN,NICOLAS DUBREUIL,JUEJUN HU,LAURENT VIVIEN. Photonics Research. 2018(05)
[9]All-optical modulator based on MoS2-PVA thin film[J]. 王奕方,吴侃,陈建平. Chinese Optics Letters. 2018(02)
[10]Silicon photonic platforms for mid-infrared applications [Invited][J]. TING HU,BOWEI DONG,XIANSHU LUO,TSUNG-YANG LIOW,JUNFENG SONG,CHENGKUO LEE,GUO-QIANG LO. Photonics Research. 2017(05)
本文编号：2929458
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
超精密机械加工Si基红外微透镜阵列[40]。（a）装备金刚石刀具的微加工系统；（b）制备的Si基微透镜阵列表面形貌
基于飞秒激光诱导刻蚀的微纳加工是一种高效成型方法[49]，首先用激光在红外半导体材料表面高速诱导出微改性区点阵，该区域中材料晶格结构和化学键的键角发生改变，物质的化学反应活性增强，与刻蚀剂作用时反应速率会比未被激光辐照的区域高两个数量级，使被辐照的区域在刻蚀时具有选择性，从而实现材料的高效定向去除，形成优质的微光学面型。Pan等[56-57]利用飞秒激光诱导化学刻蚀法在Si衬底上制备了平凹微透镜阵列器件，如图3所示。将再生放大飞秒激光光源输出的高斯飞秒脉冲（中心波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为1kHz）使用显微物镜（10×，数值孔径NA=0.3）聚焦到Si衬底表面，激光单脉冲能量为20μJ，每个辐照点的脉冲数为50发，即每点激光沉积能量为1mJ，经扫描依次曝光形成点阵。激光处理过的衬底用超声依次在丙酮、乙醇、去离子水中清洗，然后使用HNA混合酸刻蚀剂（HF-40%,HNO3-69%和HAC-99%的质量比为3∶12∶10）进行化学刻蚀，其中HNO3可将Si氧化，HF可去除氧化生成的SiO2溶解，HAC为缓冲剂[58]。经刻蚀、化学抛光可并行形成微尺度的光学表面。图3 飞秒激光辅助湿法刻蚀法制备Si基微透镜阵列流程图[56]
图2 Si基微透镜/反射锥耦合器件[44]。（a）耦合阵列结构的加工与集成原理；（b）微反射锥孔截面的扫描电镜照片（SEM);(c）微透镜阵列的扫描电镜照片；（d）所制备器件形成的输出焦点阵列；（e）单个汇聚焦点刻蚀中微凹面的形貌演化如图4所示，初始HF溶解改性区，形成一个凹面结构，随后以此为中心不断发生氧化和溶解。由于HNA刻蚀剂是一种各向同性刻蚀剂，最终会以加工作用点为中心形成球面抛光的光学面，经测量凹面直径为58μm，深度为12μm，计算获得的球面曲率半径为40μm。通过控制刻蚀时间，使微凹面边缘相切，填充比可达78%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Broadband mid-IR antireflective Reuleaux-triangle-shaped hole array on germanium[J]. 程海娟,东苗,谭钦文,孟令海,蔡毅,姜杰,杨伟声,钟海政,王岭雪. Chinese Optics Letters. 2019(12)
[2]Chip-integrated plasmonic flat optics for mid-infrared full-Stokes polarization detection[J]. JING BAI,CHU WANG,XIAHUI CHEN,ALI BASIRI,CHAO WANG,YU YAO. Photonics Research. 2019(09)
[3]Multifunctional geometric phase optical element for high-efficiency full Stokes imaging polarimetry[J]. YANMENG DAI,YUQUAN ZHANG,YOUPENG XIE,DAPENG WANG,XIANYOU WANG,ITING LEI,CHANGJUN MIN,XIAOCONG YUAN. Photonics Research. 2019(09)
[4]Tunable protein microlens array[J]. 侯智善,曹嘉冀,李爱武,杨罕. Chinese Optics Letters. 2019(06)
[5]Snapshot imaging spectrometer based on a microlens array[J]. 张泽霞,常军,任虹禧,樊恺元,李冬梅. Chinese Optics Letters. 2019(01)
[6]Multipartite entanglement generation with dipole induced transparency effect in indirectly coupled dipole-microcavity systems[J]. 彭朝晖,贾春霞,张玉青,朱中华,刘小娟. Chinese Optics Letters. 2018(08)
[7]Experimental demonstration of dissipative sensing in a self-interference microring resonator[J]. SHUAI WAN,RUI NIU,HONG-LIANG REN,CHANG-LING ZOU,GUANG-CAN GUO,CHUN-HUA DONG. Photonics Research. 2018(07)
[8]Nonlinear optical properties of integrated GeSbS chalcogenide waveguides[J]. SAMUEL SERNA,HONGTAO LIN,CARLOS ALONSO-RAMOS,ANUPAMA YADAV,XAVIER LE ROUX,KATHLEEN RICHARDSON,ERIC CASSAN,NICOLAS DUBREUIL,JUEJUN HU,LAURENT VIVIEN. Photonics Research. 2018(05)
[9]All-optical modulator based on MoS2-PVA thin film[J]. 王奕方,吴侃,陈建平. Chinese Optics Letters. 2018(02)
[10]Silicon photonic platforms for mid-infrared applications [Invited][J]. TING HU,BOWEI DONG,XIANSHU LUO,TSUNG-YANG LIOW,JUNFENG SONG,CHENGKUO LEE,GUO-QIANG LO. Photonics Research. 2017(05)
本文编号：2929458
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