引言

微透鏡陣列是重要的光學(xué)器件，因?yàn)樗鼈冊诠鈱W(xué)系統(tǒng)、微制造和生物化學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種利用飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)濕法刻蝕在石英玻璃上大面積制作凹面微透鏡陣列的簡單有效的方法。通過飛秒激光原位輻照和氫氟酸刻蝕工藝，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制備出直徑小于100微米的大面積密排矩形和六邊形凹面多層膜。所制備的多層膜顯示出優(yōu)異的表面質(zhì)量和均勻性。與傳統(tǒng)的熱回流工藝相比，本方法是一種無掩模工藝，通過調(diào)整脈沖能量、噴射次數(shù)和蝕刻時(shí)間等參數(shù)，可以靈活控制多層膜的尺寸、形狀和填充圖案。

實(shí)驗(yàn)

矩形和六邊形填充的凹面多層膜通過三步工藝制造。最初，在拋光的石英玻璃芯片(10 ×10×1 mm3)上使用30-fs和800nm激光脈沖以1 kHz的重復(fù)頻率(激光源是鈦:藍(lán)寶石脈沖激光振蕩器-放大器系統(tǒng))誘導(dǎo)直徑為幾微米的燒蝕誘導(dǎo)坑。飛秒激光由于其熱損傷和沖擊波誘導(dǎo)的損傷可忽略不計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)被物鏡聚焦時(shí)(NA = 0.5)，可以容易地在透明材料如二氧化硅玻璃上產(chǎn)生凹坑，而不會(huì)產(chǎn)生熔化噴射和裂紋，這將影響所制造的微透鏡的形態(tài)。焦斑的直徑約為1.4 m (1/e)。脈沖能量可以通過可變中性密度濾光器來改變，拍攝的次數(shù)由快門來控制。參考文獻(xiàn)[20]中提供了此處使用的設(shè)置的更多細(xì)節(jié)。隨后，在23℃的超聲波浴輔助下，在5%氫氟酸溶液中處理帶有凹坑的樣品。在此過程中，激光誘導(dǎo)的凹坑中的化學(xué)蝕刻速度加快，并開始形成凹球面；因此，多層膜是在幾十分鐘內(nèi)制成的。最后，樣品分別在丙酮、乙醇和去離子水中通過超聲波浴清洗15分鐘，并在環(huán)境空氣中干燥。矩形和六邊形多層膜所采用的工藝參數(shù)，包括脈沖能量E、注射次數(shù)N、化學(xué)蝕刻時(shí)間τ和相鄰微透鏡之間的距離L，列于表1中。

結(jié)果和討論

在實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)制作過程由一個(gè)裝有電荷耦合器件照相機(jī)的光學(xué)顯微鏡監(jiān)控。圖2顯示了從激光誘導(dǎo)彈坑陣列變化而來的矩形和六邊形多層膜的演化。開始時(shí)，各向同性化學(xué)蝕刻發(fā)生在激光處理的點(diǎn)中，產(chǎn)生矩形或六邊形，圖案中的圓形凹陷結(jié)構(gòu)，其可以用作圓形多層膜。然后，圓形微透鏡的孔徑隨著化學(xué)蝕刻而逐漸擴(kuò)大，最終，相鄰的微透鏡彼此“重疊”，導(dǎo)致四方和六邊形微透鏡的形成。證明了微透鏡的填充圖案和形狀可以容易地通過激光照射點(diǎn)的排列和化學(xué)蝕刻時(shí)間來控制。制作的矩形和六邊形多層膜的面積分別約為3 × 3 mm2和1.5 × 1.5 mm2，整個(gè)加工時(shí)間約為3小時(shí)，比LDW工藝更有效。圖3(a)和3(b)分別顯示了矩形和六邊形多層膜的掃描電鏡圖像。它們直觀地表達(dá)了多層膜優(yōu)異的表面質(zhì)量和均勻性。為了評(píng)估多層膜的焦距，如圖5所示，建立了一個(gè)由氦-氦激光器(633納米)、計(jì)算機(jī)控制的載物臺(tái)、透鏡和電荷耦合器件照相機(jī)組成的光學(xué)系統(tǒng)fexp。沿著平行于激光束(z軸)的方向移動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的載物臺(tái)，可以通過由電荷耦合器件照相機(jī)捕獲的圖像來確定頂面和焦點(diǎn)的位置。

圖6顯示了矩形[圖6(a)]和六邊形MLAs[圖6(b)]的成像能力。利用聚焦飛秒激光脈沖在玻璃基100納米金薄膜上制作了一個(gè)帶有字母“FE”的掩膜。然后將它插入鎢光源和多層反射鏡之間。因此，如圖6所示，通過放置在多層透鏡另一側(cè)的物鏡(NA = 0.3)和電荷耦合器件照相機(jī)捕獲減少的假圖像。

圖9顯示了微透鏡的輪廓對脈沖能量E和拍攝次數(shù)n的影響。這里，D和h也是從用5% HF溶液處理120分鐘的10個(gè)微透鏡獲得的平均值。我們可以看到，微透鏡的D和h隨著E的增加而增加，分別如圖9(a)和9(b)所示，但它們并不強(qiáng)烈依賴于N，N存在于圖9(c)和9(d)中。這些微透鏡的曲率半徑由公式計(jì)算。(1)及其對E和N的依賴性在圖9(e)和9(f)中標(biāo)出并擬合。R的最大值傾向于在中間脈沖能量(3.0-4.5 J)下獲得，如圖9(e)所示。這是由于D和h對E的增加幅度不同造成的，以N = 1000為例，見圖9(a)和9(b)，當(dāng)E = 0.36 J時(shí)，制作的微透鏡孔徑約為45 m，而E增加到7.39 J，D相應(yīng)增加到約90 m，因此D的增加幅度約為100%。然而，根據(jù)等式，h的該值約為400%。(1)，當(dāng)E約為3.5 J時(shí)，得到N = 1000的最大R，另一方面，當(dāng)拍攝次數(shù)大于1000時(shí)，D和h的值逐漸達(dá)到飽和，分別如圖9(c)和9(d)所示。因此，如圖9(f)所示，微透鏡的曲率半徑與N幾乎沒有關(guān)系。值得一提的是，氮的增加有利于減少激光脈沖之間能量不穩(wěn)定性的影響，提高多層膜的均勻性，但也會(huì)增加加工時(shí)間。在我們的實(shí)驗(yàn)中，采用的拍攝次數(shù)N = 500是一個(gè)優(yōu)化值。

審核編輯：湯梓紅