本發(fā)明屬于光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原位調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)制備熔石英微透鏡陣列的方法。

背景技術(shù)：

微透鏡陣列是微小光學(xué)領(lǐng)域的重要元件，可以實(shí)現(xiàn)光的會(huì)聚、分割、復(fù)合、整形、耦合、互連和成像等功能，廣泛應(yīng)用于光束均勻化、Shack-Hartmann波前傳感器、線性光學(xué)掃描系統(tǒng)、激光組束、激光準(zhǔn)直、焦平面集光、大面陣顯示和成像光刻等。微透鏡陣列的發(fā)展在很大的程度上取決于光學(xué)微加工技術(shù)。半導(dǎo)體加工工藝在微小光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用極大促進(jìn)了微透鏡陣列的發(fā)展，目前制作微透鏡陣列的方法有光刻膠熱熔法、灰度掩膜法、光敏玻璃熱成形法、離子交換法、離子束刻蝕圖形轉(zhuǎn)移法、壓印成形法、激光直寫法和微滴噴射法等方法。然而，目前這些微透鏡陣列制備方法普遍存在加工工藝繁瑣、制備流程復(fù)雜、設(shè)備貴重以及形貌精細(xì)控制困難導(dǎo)致的工藝重復(fù)性差等問(wèn)題，并且制備的微透鏡陣列在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)雜光，嚴(yán)重影響了微透鏡陣列的光傳輸質(zhì)量。

通常微透鏡陣列子單元透鏡的橫截面為圓形，排列方式為正方形堆積或六角緊密堆積，理論計(jì)算表明，圓形孔徑透鏡陣列正方形堆積排列填充系數(shù)最大是78.5％，六角緊密堆積排列填充系數(shù)最大是90.7％，實(shí)際制作中填充系數(shù)會(huì)更小。在光傳輸過(guò)程中，通過(guò)子單元透鏡之間空隙泄漏的光，不僅造成能量和光信息的損失，還會(huì)引起背景噪聲，對(duì)于光的高效率傳輸非常不利。在光信息領(lǐng)域的一些應(yīng)用中，要求微透鏡陣列具備很高的填充系數(shù)，通常要求98％以上，但是對(duì)圓形或球形孔徑的微透鏡陣列，不管是正方形堆積還是六角緊密堆積排列，填充系數(shù)都達(dá)不到應(yīng)用要求。為了解決微透鏡陣列高填充系數(shù)這一難題，人們提出研制異形孔徑(包括正方形和六角形孔徑)的微透鏡陣列，子單元透鏡間幾乎沒(méi)有空隙，為此人們進(jìn)行了大量的研究工作。然而，當(dāng)前的研究工作基本上都是把圓形孔徑微透鏡陣列制備技術(shù)直接擴(kuò)展并應(yīng)用于制作高填充系數(shù)的異形孔徑微透鏡陣列，因此，異形孔徑微透鏡陣列面存在著與圓形孔徑微透鏡陣列同樣的不足：形貌精確控制困難、單元透鏡均勻性控制困難、工藝重復(fù)性較差，并且異形孔徑微透鏡陣列制備的技術(shù)難度遠(yuǎn)高于圓形孔徑微透鏡陣列。

對(duì)于目前微透鏡陣列加工技術(shù)遇到的瓶頸，必須進(jìn)行原理性的創(chuàng)新，探索出一套微透鏡加工的新機(jī)制，為解決目前技術(shù)不能兼顧形貌微精確控制、高效率、高質(zhì)量的問(wèn)題，研究出一種微透鏡陣列制備的新方法成為當(dāng)務(wù)之急。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種原位調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)制備熔石英微透鏡陣列的方法，具有簡(jiǎn)潔高效、工藝穩(wěn)定性好、可控性強(qiáng)和重復(fù)性高的優(yōu)勢(shì)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種原位調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)制備熔石英微透鏡陣列的方法，按照以下步驟進(jìn)行：

S1：設(shè)置二氧化碳激光器的參數(shù)；

S2：使用聲光調(diào)制器從二氧化碳激光器獲得頻率和脈寬均穩(wěn)定的二氧化碳激光；

S3：對(duì)二氧化碳激光擴(kuò)束后，使用掃描場(chǎng)鏡對(duì)二氧化碳激光進(jìn)行聚焦；

S4：設(shè)置振鏡逐行掃描的掃描路徑，并設(shè)置掃描速度、掃描行間距；

S5：將熔石英樣品置于二氧化碳激光的焦點(diǎn)處，利用振鏡驅(qū)動(dòng)聚焦后的二氧化碳激光輻照熔石英樣品的表面，以改變?nèi)凼悠肥芏趸技す廨椪瘴恢玫娜凼⒉牧衔⒔Y(jié)構(gòu)，使熔石英樣品上形成多個(gè)微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)，所有的微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)共同構(gòu)成材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)陣列；

S6：采用氫氟酸溶液刻蝕熔石英樣品，得到熔石英微透鏡陣列。

采用以上方案，極大簡(jiǎn)化了熔石英微透鏡陣列的制作流程，避免了一系列復(fù)雜的微透鏡成形輔助流程，簡(jiǎn)潔高效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微透鏡形貌的精確控制，不僅實(shí)現(xiàn)了圓形孔徑的微透鏡陣列的制造，而且實(shí)現(xiàn)了精確高效地制造高填充系數(shù)的異形孔徑微透鏡，制造的熔石英微透鏡陣列表面光潔，激光損傷閾值高，尤其適用于強(qiáng)光環(huán)境下的應(yīng)用。

作為優(yōu)選：步驟S4中，所述掃描路徑為正方形堆積排列或六角形堆積排列。采用以上方案，以制造正方形或者六角形孔徑的圓形孔徑微透鏡陣列或者異形孔徑微透鏡陣列。

作為優(yōu)選：步驟S4中，設(shè)置掃描相鄰行之間的出光延遲時(shí)間。采用以上方案，避免激光熱作用對(duì)相鄰微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)之間的干擾，即避免激光熱作用對(duì)相鄰輻照點(diǎn)之間的干擾。

作為優(yōu)選：步驟S5中，所述熔石英材料微結(jié)構(gòu)為熔石英材料處于假想溫度狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。采用以上方案，利用不同假想溫度的熔石英材料的受氫氟酸作用的刻蝕速度的巨大差異，通過(guò)氫氟酸刻蝕熔石英材料受二氧化碳激光輻照形成的微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)陣列，呈現(xiàn)出微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)陣列輪廓，形成凹面微透鏡陣列。

作為優(yōu)選：步驟S6中，采用兆聲波配合氫氟酸溶液刻蝕熔石英樣品。采用以上方案，兆聲波將熔石英樣品表面的沉積物沖開(kāi)，以保證均勻刻蝕，并避免刻蝕沉積物沉積，影響刻蝕效果。

作為優(yōu)選：步驟S5中，需對(duì)熔石英樣品進(jìn)行預(yù)拋光。采用以上方案，預(yù)拋光處理使熔石英樣品達(dá)到光學(xué)級(jí)的拋光度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

采用本發(fā)明提供的原位調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)制備熔石英微透鏡陣列的方法，方法新穎，極大簡(jiǎn)化了熔石英微透鏡陣列的制作流程，避免了一系列復(fù)雜的微透鏡成形輔助流程，簡(jiǎn)潔高效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微透鏡形貌的精確控制，不僅實(shí)現(xiàn)了圓形孔徑的微透鏡陣列的制造，而且實(shí)現(xiàn)了精確高效地制造高填充系數(shù)的異形孔徑微透鏡，制造的熔石英微透鏡陣列表面光潔，激光損傷閾值高，尤其適用于強(qiáng)光環(huán)境下的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1，設(shè)置射頻激勵(lì)二氧化碳激光器頻率為1000Hz，占空比30％，然后利用聲光調(diào)制器截取激光器輸出二氧化碳激光脈沖的峰值平穩(wěn)段，獲得頻率為1000Hz、脈寬6.0μs的穩(wěn)定的二氧化碳激光，然后對(duì)二氧化碳激光擴(kuò)束，并使用焦距100mm的掃描場(chǎng)鏡對(duì)二氧化碳激光進(jìn)行聚焦，然后設(shè)置振鏡逐行掃描的掃描路徑為正方形堆積排列，并設(shè)置各個(gè)材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)之間的不交疊參數(shù)，即掃描速度是80mm/s，掃描行間距是0.080mm，掃描相鄰行之間出光延遲時(shí)間為0s，設(shè)置完成后首先將熔石英樣品置進(jìn)行預(yù)拋光，使熔石英達(dá)到光學(xué)級(jí)拋光度，然后將清洗后的熔石英樣品置于焦點(diǎn)處，利用振鏡驅(qū)動(dòng)聚焦后的二氧化碳激光輻照熔石英樣品的表面，以改變?nèi)凼悠肥芏趸技す廨椪瘴恢玫娜凼⒉牧衔⒔Y(jié)構(gòu)，使熔石英樣品上形成多個(gè)微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)，所有的微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)共同構(gòu)成材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)陣列，最后采用兆聲波配合氫氟酸溶液刻蝕熔石英樣品，由于不同假想溫度的熔石英材料的受氫氟酸作用的刻蝕速度的巨大差異，熔石英材料受二氧化碳激光輻照形成的微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)陣列呈現(xiàn)出微結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)陣列輪廓，得到正方形堆積排列的圓形孔徑微透鏡陣列。

實(shí)施例2，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：設(shè)置振鏡逐行掃描的掃描路徑為六角形堆積排列，掃描行間距是0.069mm，掃描相鄰行之間出光延遲時(shí)間為0.500ms，制造得到六角形堆積排列的圓形孔徑微透鏡陣列。

實(shí)施例3，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：設(shè)置振鏡逐行掃描的掃描路徑為正方形堆積排列，聲光調(diào)制器截取二氧化碳激光的脈寬為5.0μs；振鏡掃描速度是40mm/s，掃描行間距是0.040mm，制造得到的微透鏡陣列是異形孔徑微透鏡陣列，子單元透鏡孔徑為正方形，各個(gè)子單元透鏡之間無(wú)間隔，制備的正方形孔徑的異形孔徑微透鏡陣列填充系數(shù)為100％。

實(shí)施例4，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：設(shè)置振鏡逐行掃描的掃描路徑為正六邊形堆積排列，聲光調(diào)制器截取二氧化碳激光的脈寬為4.5μs；振鏡掃描速度是40mm/s，掃描行間距是0.035mm，掃描相鄰行之間出光延遲時(shí)間為0.500ms；制造得到的微透鏡陣列是異形孔徑微透鏡陣列，子單元透鏡孔徑為正六邊形，各個(gè)子單元透鏡之間無(wú)間隔，正六邊形孔徑的微透鏡陣列填充系數(shù)為100％。

最后需要說(shuō)明的是，上述描述僅僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以做出多種類似的表示，這樣的變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。