[发明专利]飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光维纳加工和激光光学领域，特别涉及一种利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，所制得的光束整形器能够将原始高斯分布的激光光束能量重新分布以达到尽可能均匀。

背景技术

在激光的实际应用领域中，例如激光对材料的加工，激光驱动惯性约束核聚变等，常要求光强空间分布均匀的激光光束，然而通常情况下从激光器中直接发出的都是能量呈高斯分布的高斯光束，因此需要通过激光光束整形器件，来将高斯光束的强度整形为均匀分布。目前光束整形的方法有很多，例如利用非球面透镜组整形系统、微透镜阵列整形系统、衍射光学元件整形系统和液晶空间光调制器等都可以实现高斯光束的整形。但比较而言，微透镜阵列加工简单，操作可行性强，实现相对容易。

以往的微透镜阵列加工方法，包括光刻胶熔融法、离子交换法、微喷打印法、激光直写技术等；其中光刻胶熔融法难以实现高填充比微透镜阵列的加工；离子交换法通常被用于二维平面微透镜阵列的制备，并且该工艺需要在高温环境中长时间反应；微喷打印法同光刻胶熔融法类似，它所制得的微透镜阵列填充因子也很难超过80％；激光直写技术可以制备任意形貌的微透镜阵列，但是其加工材料仅限于光刻胶，并且加工效率低，不适合大面积微透镜阵列的批量制备。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，该方法能够实现高填充比、大面积微透镜阵列的高效率加工；而且所制备出的微透镜阵列能够简单、便捷的实现使高斯光束的空间光强均匀分布。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是这样实现的：

飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列光束整形器的方法，具体实施步骤如下：

步骤一、选用石英玻璃作为样品材料；

步骤二、选用脉冲宽度为30—150fs、波长为325—1200nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到固定在三维精密移动平台上的样品表面，显微物镜的数值孔径为0.3—0.8；步骤三、根据所需微透镜阵列形貌，调整脉冲作用点的排列方式，矩形微透镜阵列则脉冲作用点按照矩形排列，六边形微透镜阵列则脉冲作用点按照三角形排列，三角形微透镜阵列则脉冲作用点按照六边形排列，控制飞秒激光单脉冲能量为10nJ—5mJ，脉冲频率为10Hz—100KHz，调整三维精密移动平台移动速率为0.1um/s—6mm/s，从而控制飞秒加工时间的长短，得到微透镜阵列弹坑；

步骤四、将已加工出的微透镜阵列弹坑放入氟化氢溶液中辅助刻蚀，氟化氢溶液体积浓度为5%—15%，腐蚀时间为30—150分钟；即可完成微透镜阵列光束整形器的制备。

所述步骤四所得的微透镜阵列中单个透镜参数为：直径D为30—120um，球冠高度h为5—22um。

所述步骤三中脉冲作用点的排列方式包括三角形、矩形、六边形。

本发明的优点在于：

（1）本发明利用飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列，具有所制得的微透镜阵列形貌可控的优点。其中，透镜的形貌可以通过激光脉冲作用点的合理排列进行控制，透镜的焦距则可以通过激光参数进行调控。

（2）填充比高，利用该方法所制得的矩形、三角形、六边形微透镜阵列都可以实现100%的填充；这样透镜之间的间隙小，有助于更多光源经过透镜被利用来实现高效率光束整形。

（3）加工效率高，可以实现大面积微透镜阵列的制备；例如：加工直径为60um，阵列数为128×128的矩形透镜阵列，所需的总时间为3小时。

（4）制备所得的微透镜阵列不仅表面形貌良好，而且大阵列数的情况依然可以保持很好的均匀一致性。

（5）所制备的微透镜阵列，能够实现对光束整形的情况下，可控的改善光场强度分布的均匀性；例如，可以通过改变单个透镜的形貌和尺寸大小来控制照射到靶面上光斑的形状和均匀性。

（6）由于采用的是光学整形方法，能量损失小。

附图说明

图1为本发明中波长为800nm飞秒激光在石英玻璃表面制备微透镜阵列光束整形器的光路示意图。

图2为本发明中脉冲作用点排列方式示意图，其中图2a为矩形、图2b为三角形、图2c为六边形。

图3为本发明中所制备出的微透镜阵列光束整形器件的SEM图，其中图3a为矩形微透镜阵列光束整形器件的SEM图；图3b为六边形微透镜阵列光束整形器件的SEM图。

图4为本发明中所制备出的微透镜阵列光束整型器件单个透镜的剖面尺寸示意图。