一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法，搭建由飞秒激光加工装置、观察装置和计算机组成的激光直写系统，利用丙胺溶液对半成品进行化学腐蚀，并通过热回流处理对硫系玻璃微透镜阵列的表面进行平滑处理以提高硫系玻璃微透镜阵列的光学质量，通过退火处理以提升硫系玻璃微透镜阵列的物理性能，本发明专利技术制备方法的重复性好，制备的硫系玻璃微透镜阵列的表面光滑度好、均匀度高，可实现大范围的不同几何形状、尺寸、焦距和填充效率的硫系玻璃微透镜阵列的高效制备，制备的微透镜阵列的直径从微米到毫米可调，厚度在数百纳米到数十微米可调，且微透镜阵列之间的间距和微透镜的填充效率可以灵活调整。充效率可以灵活调整。充效率可以灵活调整。

【技术实现步骤摘要】
一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法


[0001]本专利技术涉及硫系玻璃微透镜的制备
，具体是一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法。

技术介绍

[0002]微透镜和微透镜阵列是一种高集成度的相位调制光学元件，目前作为光场信息采集中的核心部件被绝大多数光场系统所采用。微透镜阵列的光学性能良好，具有大视场、低像差和低形变、高时空分辨率等特点，是一种光场成像的关键部件。
[0003]近年来微透镜和微透镜阵列在多个应用领域发挥着重要的作用，如微光学传感器、数字显示单元、生物医学仪器、光通信等。随着制造技术的不断发展，基于微透镜阵列的器件由于其轻便、紧凑、高集成度以及良好的光学特性，展现出巨大的市场潜力。
[0004]硫系玻璃具有较宽的透过光谱，范围可从可见光到中红外，高的线性折射率(2到3之间)，可忽略的自由载流子吸收和极低的双光子吸收，并且硫系玻璃在近红外和中红外波段的非线性性能要比二氧化硅好得多等性质。故硫系玻璃微透镜阵列相较于传统的微透镜阵列具有更宽的透过光谱，包括可见光、近红外通信波段(约1.5μm)和中红外波段表征生物的指纹吸收区(2.5～25μm)，在近红外和远红外范围都有很大的发展前景和应用价值。
[0005]当前制备微透镜的方法主要分为直接制备法和间接制备法。直接制备法主要有热回流法、微滴喷射法和微模直压法等。直接制备法利用材料处于热塑性或液体状态时，微透镜的形状通常基于表面张力效应形成，产生超光滑表面。直接制备法操作过程简单、成本低但效益高。然而，由于微透镜的几何尺寸由温度、湿度、压力和加工时间等有限的参数控制决定，因此通过直接制备法对微透镜的各项参数进行精确控制十分困难，用直接制备法制备硫系玻璃微透镜的效果不理想。相较于操作简单的直接制备法，间接制备法的过程相对复杂，需要制作凹型微透镜阵列模具，然后通过复制技术生产最终的透镜，复制技术包括热压成型和注塑成型等。目前制备硫系微透镜阵列使用的间接制备法主要是直接用飞秒激光烧蚀加工。该方法虽然制备效率高，但是加工出的微结构由于存在重铸等缺陷，缺乏良好的形貌可控性。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法，制备的硫系玻璃微透镜阵列的表面光滑度好、均匀度高，可实现大范围的不同几何形状、尺寸、焦距和填充效率的硫系玻璃微透镜阵列的高效制备。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)激光直写系统的搭建
[0009]搭建由飞秒激光加工装置、观察装置和计算机组成的激光直写系统：
[0010]搭建一飞秒激光加工装置，该飞秒激光加工装置包括飞秒激光器、半反射半透射
镜、加工物镜和三维位移平台，所述的飞秒激光器、半反射半透射镜、加工物镜和三维位移平台沿所述的飞秒激光器出射的飞秒激光的走向依次设置，所述的三维位移平台的移动由所述的计算机控制；
[0011]搭建一观察装置，该观察装置包括透射光源、透镜和CCD相机，所述的透射光源设置在所述的三维位移平台的下方，所述的三维位移平台、加工物镜、半反射半透射镜、透镜和CCD相机的镜头沿所述的透射光源发出的光线的走向依次设置，所述的CCD相机的输出端与所述的计算机电连接；
[0012]2)采用已知熔融淬冷法制备硫系玻璃，将制备的硫系玻璃切片，得到片状的硫系玻璃，并对片状的硫系玻璃进行双面抛光和清洗，得到片状的硫系玻璃样品；
[0013]3)将硫系玻璃样品平放在搭建的飞秒激光加工装置的三维位移平台上，通过计算机调节三维位移平台的位置，直到从CCD相机中能清楚地看到硫系玻璃样品；
[0014]4)通过计算机对三维位移平台进行精细调节，使硫系玻璃样品的表面处于同一水平面上；
[0015]5)确定飞秒激光器出射的飞秒激光的功率大小后，开启飞秒激光加工装置并调整飞秒激光器的参数，再打开观察装置，由计算机控制三维位移平台以预先确定的点阵轨迹进行间歇性移动，对硫系玻璃样品的表面进行间歇性激光直写，在硫系玻璃样品的表面加工形成由多个微孔组成的微孔阵列结构；
[0016]6)对激光直写后的硫系玻璃样品进行超声波清洗，此后将硫系玻璃样品置于处于水浴状态的丙胺溶液中，设定超声水浴的时间和温度，对硫系玻璃样品进行超声水浴下的化学腐蚀，使硫系玻璃样品表面的各个微孔直径同时扩大至相邻的微孔的边缘重叠，一个微孔对应一个微透镜，得到由多个微透镜组成的硫系玻璃微透镜阵列的半成品；
[0017]7)将半成品放入超声波清洗器中，在去离子水中浸泡一定时间后取出，随后用氮气吹干，再热回流处理1～3分钟，热回流处理的温度比硫系玻璃的软化温度Ts高15～25℃，最后将经过热回流处理的半成品置于退火炉中退火18～36h，退火温度比硫系玻璃的玻璃转变温度Tg低8～15℃，退火结束后，即得到硫系玻璃微透镜阵列。
[0018]本专利技术制备方法的制备原理：本专利技术制备方法通过飞秒激光加工装置对硫系玻璃进行基础加工，将飞秒激光器出射的飞秒激光通过半反射半透射镜和加工物镜的耦合聚焦于放置在三维位移平台上的硫系玻璃样品的表面，在硫系玻璃样品的表面进行激光直写，同时由计算机控制三维位移平台以预先确定的点阵轨迹进行间歇性移动，从而在硫系玻璃样品的表面加工形成微孔阵列结构；基础加工后，利用丙胺溶液对硫系玻璃样品的表面进行化学腐蚀，各个微孔在腐蚀过程中变得光滑并逐渐扩大，直到相邻的微孔的边缘重叠，在硫系玻璃样品的表面形成阵列形式的多个凹面的微透镜，相邻的微孔的边缘重叠时，可提高透镜的填充效率；进一步地，本专利技术通过高于硫系玻璃的软化温度的温度对半成品进行热回流处理，利用加热和重力的效应使硫系玻璃的表面重新排列，对硫系玻璃微透镜阵列的表面进行平滑处理，从而有效提高硫系玻璃微透镜的表面光滑度，进一步提高硫系玻璃微透镜阵列的光学质量；最后，本专利技术对热回流处理后的半成品进行退火处理，以消除硫系玻璃透镜阵列内部的残余应力，提升硫系玻璃微透镜阵列的物理性能。在上述制备过程中，通过CCD相机可搜集图像，在制备过程中进行实时的观察和监视。
[0019]作为优选，在进行步骤5)之前，针对不同组分的硫系玻璃，先建立飞秒激光器出射
的飞秒激光的功率大小与化学腐蚀时间及单个微透镜的直径之间的关系曲线。从而在每次制备硫系玻璃微透镜阵列前，可根据预先建立的曲线快速确定飞秒激光器出射的飞秒激光的功率大小、化学腐蚀时间等参数，提高操作效率。
[0020]作为优选，所述的飞秒激光器选用脉宽为130fs、中心波长为800nm、重复频率在1kHz范围内可调的飞秒激光器。
[0021]作为优选，所述的加工物镜的倍数为10～20倍，数值孔径为0.25～0.45。根据所要制备的微透镜的尺寸大小，可相应调整加工物镜的倍数和数值孔径，例如，对于小尺寸的微透镜，可选用放大倍数为20倍、数值孔径为0.45的加工物镜；对于较大尺寸的微透镜，可选用放大倍数为10倍、数值孔径为0.25的加工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫系玻璃微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)激光直写系统的搭建搭建由飞秒激光加工装置、观察装置和计算机组成的激光直写系统：搭建一飞秒激光加工装置，该飞秒激光加工装置包括飞秒激光器、半反射半透射镜、加工物镜和三维位移平台，所述的飞秒激光器、半反射半透射镜、加工物镜和三维位移平台沿所述的飞秒激光器出射的飞秒激光的走向依次设置，所述的三维位移平台的移动由所述的计算机控制；搭建一观察装置，该观察装置包括透射光源、透镜和CCD相机，所述的透射光源设置在所述的三维位移平台的下方，所述的三维位移平台、加工物镜、半反射半透射镜、透镜和CCD相机的镜头沿所述的透射光源发出的光线的走向依次设置，所述的CCD相机的输出端与所述的计算机电连接；2)采用已知熔融淬冷法制备硫系玻璃，将制备的硫系玻璃切片，得到片状的硫系玻璃，并对片状的硫系玻璃进行双面抛光和清洗，得到片状的硫系玻璃样品；3)将硫系玻璃样品平放在搭建的飞秒激光加工装置的三维位移平台上，通过计算机调节三维位移平台的位置，直到从CCD相机中能清楚地看到硫系玻璃样品；4)通过计算机对三维位移平台进行精细调节，使硫系玻璃样品的表面处于同一水平面上；5)确定飞秒激光器出射的飞秒激光的功率大小后，开启飞秒激光加工装置并调整飞秒激光器的参数，再打开观察装置，由计算机控制三维位移平台以预先确定的点阵轨迹进行间歇性移动，对硫系玻璃样品的表面进行间歇性激光直写，在硫系玻璃样品的表面加工形成由多个微孔组成的微孔阵列结构；6)对激光直写后的硫系玻璃样品进行超声波清洗，此后将硫系玻璃样品置于处于水浴状态的丙胺溶液中，设定超声水浴的时间和温度，对硫系玻璃...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培晴，葛恺鑫，周伟杰，李娆，林常规，戴世勋，张巍，宋宝安，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：