[发明专利]批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种批量制备二元光学元件的方法，具体涉及一种批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法，属于二元光学元件的制备领域。

背景技术

随着二元光学技术的发展，二元光学元件已广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其它特殊系统中。二元光学元件区别于传统光学元件的基本特征在于其特有的表面浮雕结构。相对于传统光学元件，二元光学元件除了具有体积小、重量轻、造价低等显而易见的优点外，还具有许多独特的功能和特点，如较高的衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性、特殊的光学性能等。

二元光学元件的表面浮雕结构一般可分为二阶浮雕结构、多阶浮雕结构和连续浮雕结构。相对于二阶和多阶浮雕结构，连续浮雕结构由于其极高的衍射效率及良好的光学使用性能正在越来越多的受到青睐，开辟了二元光学领域的新视野。目前二元光学领域用于连续浮雕结构的主要加工方法是激光直写和电子束直写技术，直写技术利用可变剂量的逐点曝光控制曝光深度，经显影和刻蚀后得到所设计的连续浮雕结构。但是直写技术的加工设备成本比较高，工艺复杂，加工效率低，轮廓控制精度低，严重阻碍了其产业化进程。

现有的金刚石超精密车削加工技术以其确定性的加工特点对具有连续浮雕结构特征的结构的加工具有很大优势，能够高效地加工真正的三维结构，加工零件的成型精度达亚微米级，表面粗糙度达到纳米量级。然而现有光学加工技术如熔胶凝胶技术、热软熔技术、灰度掩模技术、反应离子刻蚀技术及直写技术等在连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备中存在高成本、低精度、低效率的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光学加工技术在连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备中存在高成本、低精度、低效率的问题，进而提供一种批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法。

本发明的技术方案是：在石英上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：

步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；

步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的110面，后刀面为金刚石晶面的100面，刀尖圆弧半径r为1-500μm，刀尖角χ为60-120°，刀具前角α为0°，刀具后角γ₁为6-10°；

步骤三：将非铁基材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：非铁基材料的工件夹装在机床主轴上，金刚石刀具固定安装在设有测力仪的刀座上，金刚石刀具通过Z向导轨和X向导轨的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成二元光学元件压模的制备；

步骤四：将步骤三中所加工的压模采用微热压印成型技术压印到聚合物上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模和聚合物放入热压印成型机内闭模，并将聚合物加热至玻璃转移温度以上，抽真空加热后预压，压模在真空室内压在聚合物上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模与聚合物充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模上的结构能完全转印至聚合物上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模脱模；

步骤五：采用刻蚀技术或者剥离技术将步骤四中聚合物上的具有连续浮雕的结构转移至石英上，最终获得具有连续浮雕结构的二元光学元件；

步骤六：重复步骤四和步骤五完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。

本发明还提供了一种在聚甲基丙烯酸甲酯上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：

步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；