激光埋种辅助刻蚀制备微凹透镜阵列
发布时间：2021-12-01 22:03
微透镜阵列作为微光学领域的一种重要元件,如何实现其高效加工一直是本领域亟需解决的技术环节.但是传统加工方法无法兼顾加工效率和加工质量,激光埋种辅助刻蚀方法可实现微凹透镜阵列的高效制备和微加工.本文回顾了这种新微加工方法的一系列探索工作,即采用空间光调制器对飞秒激光进行相位调制,提供一种"激光埋种辅助刻蚀"的方法.该方法利用相位调制得到的多个焦点替代单个焦点进行曝光,实现了对微凹透镜阵列的并行加工;同时,结合对多个焦点的相对能量和空间位置的调节,能够实现对每个微凹透镜形貌和光学参数的调控;从根本上改变了以往激光直写加工中对微纳结构逐点扫描的加工方式,从而实现了微阵列结构的高效、高质量加工.
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(08)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
(网络版彩图)单脉冲曝光“激光埋种刻蚀法”.(a)“激光埋种刻蚀法”加工光路示意图;(b)3×3种子点阵示例,其中每个种子点直径对应其曝光的相对能量;单脉冲曝光形成的种子点阵的共聚焦显微镜照片(c)和原子力显微镜截面分析图(d);(e)“激光埋种刻蚀法”制备的六角密排的微透镜阵列示例,其中插入图为其六角密排的种子点阵示意图[11].版权?2018,美国光学学会
在前两小节中,利用SLM分别将飞秒激光焦点调制成沿XY平面分布的二维焦点阵列和沿Z轴分布的多个焦点.而为了制备焦点沿Z向排布的双焦点微透镜仍然利用“激光埋种辅助刻蚀法”,只需将飞秒激光焦点调制成沿光轴排布的两个焦点,然后对待加工衬底石英进行单脉冲曝光,得到对应的上下两个同轴微透镜的种子点,如图3(a)所示.其中,第一透镜(First Lens,FL)所对应的种子点位于石英衬底表面,第二透镜(Second Lens,SL)位于石英衬底内部(即FL种子点正下方),两个种子点的间距可由全息图灵活调控.之后再利用湿法刻蚀对曝光后的衬底进行腐蚀,即可实现双焦点微透镜结构的快速成型,如图3(b)所示.图3(c)依次为样品经过10,20,30,40,50,60 min腐蚀的结构形貌,单脉冲曝光所用激光脉冲能量为86 nJ.由图可知,经过10–20 min的刻蚀,石英表面的种子点被腐蚀成具有较光滑内表面的微球面,即FL;经过30 min腐蚀后,FL直径逐渐增大,并且其球面底部中心裸露出一个小孔洞,即SL对应的种子点,说明此时腐蚀深度已经超过两个种子点的间距;再继续腐蚀10–30 min,可以看到FL直径依然缓慢增加,而其底部的第二种子点则逐渐形成具有较光滑表面的SL,最终形成双焦点微透镜结构.随着刻蚀时间的延长,双焦点透镜中的单个透镜的半径和深度的变化规律,与第3小节中介绍的单个微透镜情况一致.即无论是FL还是SL,其半径均随刻蚀时间增加而逐渐增大,而深度基本保持不变.所形成具有光滑内表面的FL的最小直径为～16.0μm,SL的最小直径为～25.0μm,形成的双焦点透镜的最终深度为13.5μm.其中,刻蚀速度的各向异性,使得SL开始刻蚀后整个结构的深度发生跳跃式增长.然而,在SL形成光滑近球面结构之后,即使进一步延长刻蚀时间,双焦点透镜的整体深度仍然保持不变.结合第3和4小节的讨论,关于双焦点透镜的结构设计与调控,其中单个微透镜的直径主要通过飞秒激光脉冲能量来精准调控,而其深度则需要进一步结合纵向多焦点曝光来实现有效调控[10].图3(网络版彩图)激光埋种辅助刻蚀制备双焦点透镜.(a)双焦点曝光示意图;(b)湿法刻蚀快速成型示意图;(c)双焦点曝光后经过不同刻蚀时间的结构形貌的激光共聚焦显微镜照片;(d)结构截面轮廓随刻蚀时间的演化的截面分析曲线;(e)所形成的第二透镜与第一透镜的面积比随曝光的相对能量比的变化曲线;(f)双焦点透镜成像效果[10].版权?2019,中国知网
图2(网络版彩图)单脉冲曝光调控微透镜数值孔径.(a)对应沿光轴排布的3,4,5个焦点的全息相位图;(b)调制后的3,4,5个焦点分别沿光轴的排布情况;(c)单焦点曝光形成的微透镜的半径、深度和曲率半径随脉冲能量的变化曲线;(d)单脉冲曝光并经过40 min刻蚀形成的微透镜的共聚焦显微镜照片,其曝光的焦点个数依次为1?6;(e)对应的截面轮廓;(f)刻蚀后形成的微透镜的半径和深度随曝光焦点个数的变化曲线;(g)所形成微透镜的曲率半径、焦距和NA随曝光焦点个数的变化曲线[16].版权?2019,美国光学学会图3(d)依次为样品经过10,20,30,40,50,60 min腐蚀的结构轮廓演化过程.经过10 min后,FL所对应的种子点被腐蚀成矩形孔洞;经过20 min后,该矩形孔洞演化为近球型圆孔,即形成FL;经过30 min后,FL直径进一步增大,轮廓更贴近球型;同时可以观察到其底部裸露出的SL所对应的种子点轮廓.当腐蚀时间超过40 min时,SL对应的种子点重复第一种子点的轮廓演化过程,即从纵深较深的矩形轮廓逐渐向球型演化、直至形成SL.同时,纵向腐蚀使得整个结构深度进一步增加.当腐蚀时间达到60 min时,SL最终呈球型轮廓,整个双焦点微透镜结构得以完整成型.对腐蚀过程中两个微透镜的直径和深度分别进行测量,可以发现,在整个腐蚀过程中,结构直径呈递增趋势,即横向腐蚀速度整体保持均匀;对于结构深度,在10–30 min和40–60 min这两个区间,整个双焦点微透镜结构的深度保持不变;而只有在30–40 min区间,结构深度发生了6.6–13.5μm的激增.这是由于自30 min起,FL底部的种子点暴露出来,从而导致纵向比其他方向具有更高的腐蚀速度.进一步地,考虑到在“激光埋种”中,可通过全息图所定义的子束波相对能量的大小直接调控最终形成的结构尺寸,双焦点微透镜中FL和SL的尺寸大小同样可以通过调节其相对能量进行控制,表明这种制备方法具有很高的结构设计性.如图3(e)所示,当改变全息图中FL和SL所对应焦点的相对能量比时,无论脉冲能量为69 nJ还是86 nJ,最终形成的两个微透镜的投影面积比也随之发生显著变化.在实际的微光学元件设计中,可以根据具体的光束整形需求来选择曝光时两个焦点的相对能量比值.图3(f)为所加工的双焦点透镜成像效果,其中主图与插入图分别为FL和SL所成的像.与双焦点透镜的双球面结构相对应,其成像个数为2个,而且FL成像明显大于SL.进一步地,比较不同曝光能量比的双焦点透镜的成像亮度,可发现SL成像的亮度随能量比增加而增大,表面成像效果与对应透镜的投影面积相关[10].
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于纳飞秒双脉冲激光的蓝宝石蚀除研究[J]. 王懋露,梅伟,杨立军,王扬. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(03)
[2]激光微加工在航空发动机MRO中的应用[J]. 周锐,张姿,洪明辉. 中国科学:物理学 力学 天文学. 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]. 刘墨南,李木天,杨罕,孙洪波. Chinese Physics B. 2018(09)
博士论文
[1]基于空间光调制器的飞秒激光加工微光学元件技术研究[D]. 曹小文.吉林大学 2019
本文编号：3527138
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(08)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
(网络版彩图)单脉冲曝光“激光埋种刻蚀法”.(a)“激光埋种刻蚀法”加工光路示意图;(b)3×3种子点阵示例,其中每个种子点直径对应其曝光的相对能量;单脉冲曝光形成的种子点阵的共聚焦显微镜照片(c)和原子力显微镜截面分析图(d);(e)“激光埋种刻蚀法”制备的六角密排的微透镜阵列示例,其中插入图为其六角密排的种子点阵示意图[11].版权?2018,美国光学学会
在前两小节中,利用SLM分别将飞秒激光焦点调制成沿XY平面分布的二维焦点阵列和沿Z轴分布的多个焦点.而为了制备焦点沿Z向排布的双焦点微透镜仍然利用“激光埋种辅助刻蚀法”,只需将飞秒激光焦点调制成沿光轴排布的两个焦点,然后对待加工衬底石英进行单脉冲曝光,得到对应的上下两个同轴微透镜的种子点,如图3(a)所示.其中,第一透镜(First Lens,FL)所对应的种子点位于石英衬底表面,第二透镜(Second Lens,SL)位于石英衬底内部(即FL种子点正下方),两个种子点的间距可由全息图灵活调控.之后再利用湿法刻蚀对曝光后的衬底进行腐蚀,即可实现双焦点微透镜结构的快速成型,如图3(b)所示.图3(c)依次为样品经过10,20,30,40,50,60 min腐蚀的结构形貌,单脉冲曝光所用激光脉冲能量为86 nJ.由图可知,经过10–20 min的刻蚀,石英表面的种子点被腐蚀成具有较光滑内表面的微球面,即FL;经过30 min腐蚀后,FL直径逐渐增大,并且其球面底部中心裸露出一个小孔洞,即SL对应的种子点,说明此时腐蚀深度已经超过两个种子点的间距;再继续腐蚀10–30 min,可以看到FL直径依然缓慢增加,而其底部的第二种子点则逐渐形成具有较光滑表面的SL,最终形成双焦点微透镜结构.随着刻蚀时间的延长,双焦点透镜中的单个透镜的半径和深度的变化规律,与第3小节中介绍的单个微透镜情况一致.即无论是FL还是SL,其半径均随刻蚀时间增加而逐渐增大,而深度基本保持不变.所形成具有光滑内表面的FL的最小直径为～16.0μm,SL的最小直径为～25.0μm,形成的双焦点透镜的最终深度为13.5μm.其中,刻蚀速度的各向异性,使得SL开始刻蚀后整个结构的深度发生跳跃式增长.然而,在SL形成光滑近球面结构之后,即使进一步延长刻蚀时间,双焦点透镜的整体深度仍然保持不变.结合第3和4小节的讨论,关于双焦点透镜的结构设计与调控,其中单个微透镜的直径主要通过飞秒激光脉冲能量来精准调控,而其深度则需要进一步结合纵向多焦点曝光来实现有效调控[10].图3(网络版彩图)激光埋种辅助刻蚀制备双焦点透镜.(a)双焦点曝光示意图;(b)湿法刻蚀快速成型示意图;(c)双焦点曝光后经过不同刻蚀时间的结构形貌的激光共聚焦显微镜照片;(d)结构截面轮廓随刻蚀时间的演化的截面分析曲线;(e)所形成的第二透镜与第一透镜的面积比随曝光的相对能量比的变化曲线;(f)双焦点透镜成像效果[10].版权?2019,中国知网
图2(网络版彩图)单脉冲曝光调控微透镜数值孔径.(a)对应沿光轴排布的3,4,5个焦点的全息相位图;(b)调制后的3,4,5个焦点分别沿光轴的排布情况;(c)单焦点曝光形成的微透镜的半径、深度和曲率半径随脉冲能量的变化曲线;(d)单脉冲曝光并经过40 min刻蚀形成的微透镜的共聚焦显微镜照片,其曝光的焦点个数依次为1?6;(e)对应的截面轮廓;(f)刻蚀后形成的微透镜的半径和深度随曝光焦点个数的变化曲线;(g)所形成微透镜的曲率半径、焦距和NA随曝光焦点个数的变化曲线[16].版权?2019,美国光学学会图3(d)依次为样品经过10,20,30,40,50,60 min腐蚀的结构轮廓演化过程.经过10 min后,FL所对应的种子点被腐蚀成矩形孔洞;经过20 min后,该矩形孔洞演化为近球型圆孔,即形成FL;经过30 min后,FL直径进一步增大,轮廓更贴近球型;同时可以观察到其底部裸露出的SL所对应的种子点轮廓.当腐蚀时间超过40 min时,SL对应的种子点重复第一种子点的轮廓演化过程,即从纵深较深的矩形轮廓逐渐向球型演化、直至形成SL.同时,纵向腐蚀使得整个结构深度进一步增加.当腐蚀时间达到60 min时,SL最终呈球型轮廓,整个双焦点微透镜结构得以完整成型.对腐蚀过程中两个微透镜的直径和深度分别进行测量,可以发现,在整个腐蚀过程中,结构直径呈递增趋势,即横向腐蚀速度整体保持均匀;对于结构深度,在10–30 min和40–60 min这两个区间,整个双焦点微透镜结构的深度保持不变;而只有在30–40 min区间,结构深度发生了6.6–13.5μm的激增.这是由于自30 min起,FL底部的种子点暴露出来,从而导致纵向比其他方向具有更高的腐蚀速度.进一步地,考虑到在“激光埋种”中,可通过全息图所定义的子束波相对能量的大小直接调控最终形成的结构尺寸,双焦点微透镜中FL和SL的尺寸大小同样可以通过调节其相对能量进行控制,表明这种制备方法具有很高的结构设计性.如图3(e)所示,当改变全息图中FL和SL所对应焦点的相对能量比时,无论脉冲能量为69 nJ还是86 nJ,最终形成的两个微透镜的投影面积比也随之发生显著变化.在实际的微光学元件设计中,可以根据具体的光束整形需求来选择曝光时两个焦点的相对能量比值.图3(f)为所加工的双焦点透镜成像效果,其中主图与插入图分别为FL和SL所成的像.与双焦点透镜的双球面结构相对应,其成像个数为2个,而且FL成像明显大于SL.进一步地,比较不同曝光能量比的双焦点透镜的成像亮度,可发现SL成像的亮度随能量比增加而增大,表面成像效果与对应透镜的投影面积相关[10].
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于纳飞秒双脉冲激光的蓝宝石蚀除研究[J]. 王懋露,梅伟,杨立军,王扬. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2020(03)
[2]激光微加工在航空发动机MRO中的应用[J]. 周锐,张姿,洪明辉. 中国科学:物理学 力学 天文学. 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]. 刘墨南,李木天,杨罕,孙洪波. Chinese Physics B. 2018(09)
博士论文
[1]基于空间光调制器的飞秒激光加工微光学元件技术研究[D]. 曹小文.吉林大学 2019
本文编号：3527138
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