[发明专利]用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统及其方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种激光直写技术及衍射光学器件制备技术，尤其是涉及一种用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统及利用其制备电控衍射光学器件的方法。

背景技术

衍射光学器件是一种在基片或传统光学元件表面上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成同相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类光学元件。利用衍射光学元件制作的各类光学器件在光传感、光通信、光计算、光存储、光互连、激光医学等诸多领域中有着广泛的应用前景。

同时，随着信息技术、集成光学、光学传感的快速发展，传统的衍射光学器件已满足不了实际的生产需求，而聚合物分散液晶（PDLC）在显示领域有着优异特性，因此人们逐步尝试将其用于各类衍射光学器件的设计和制作中。例如：上海理工大学的庄松林等人已基于全息干涉的方法制作了一种高衍射效率的H-PDLC（全息聚合物分散液晶）体全息光栅，其还基于衍射效率理论设计并制作了一种电控聚合物分散液晶全息透镜。

然而目前，直接基于PDLC的微结构加工技术鲜有报道，大多是基于H-PDLC材料的全息光刻技术来制备各种衍射光学器件。而由于H-PDLC中往往需要额外掺入各种光敏聚合物、交联剂等化学物质，因此相较于普通的PDLC的制作更为复杂、成本也更高，同时H-PDLC的加工精度还容易受材料本身的光刻分辨率的影响，故而H-PDLC有着较大的局限性。

另外近年来，随着大功率、窄脉宽激光器的迅速发展，激光加工技术也取得了较大的进展。一般情况下，对于红外、近红外的纳秒激光，将其高功率激光束经透镜汇聚后，材料中的电子通过对光子的线性吸收获得热能，将材料逐步熔化、蒸发去除；而对于紫外波段的准分子激光，通过材料线性吸收大能量的单个光子就可直接切断其中的分子或原子结合键，在表面生成等离子体，减小了刻蚀过程中热扩散的影响；而自上世纪90年代以来，红外飞秒激光技术的成熟使得激光与原子、分子、离子、自由电子、团簇以及等离子体的相互作用研究进入到一个高度非线性的场强范围。因此，在几乎所有材料中价电子均可通过非线性机制电离，如多光子电离和雪崩电离，从而导致材料的永久改变。特别是紫外超快激光技术的成熟，进一步减小了一般红外飞秒激光刻蚀过程中的热扩散影响，进一步提高了刻蚀精度和刻蚀图案的质量。

可见，对于电控衍射光学器件来说，传统的在H-PDLC上采用全息光刻的方法具有一定的局限性，而激光直写技术操作灵活简便，刻蚀图形丰富，并且随着大功率紫外超快激光技术的完善，如何在PDLC基础上刻蚀各类一维、二维微结构及衍射光学器件，已成为衍射光学器件发展的一个值得解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便快捷的用于刻蚀电控衍射光学器件的激光直写刻蚀系统，及一种利用该激光直写刻蚀系统制备电控衍射光学器件的方法，该方法操作灵活简单，能够方便、快速的在聚合物分散液晶光开关上刻蚀出各类一维、二维微结构及衍射光学器件。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种激光直写刻蚀系统，包括用于发射单束激光束的激光器和用于固定刻蚀样品的可控载物台，其特征在于还包括：

激光倍频系统，将所述的激光器发射的单束激光束转换为紫外激光束；

光束整形系统，从所述的激光倍频系统输出的紫外激光束通过所述的光束整形系统后形成为一聚焦光斑，所述的刻蚀样品位于所述的光束整形系统输出的聚焦光斑的焦平面上，所述的光束整形系统输出的聚焦光斑照射于所述的刻蚀样品上完成微米级的图案的刻蚀；

所述的刻蚀样品为聚合物分散液晶光开关。

所述的光束整形系统包括可调光阑和显微物镜，所述的可调光阑的中心与所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，所述的激光倍频系统输出的紫外激光束依次通过所述的可调光阑和所述的显微物镜后形成为一聚焦光斑。

所述的光束整形系统包括可调光阑、反射镜和显微物镜，所述的可调光阑的中心与所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的中心对准，所述的激光倍频系统输出的紫外激光束通过所述的可调光阑后入射到所述的反射镜上，所述的反射镜反射的紫外激光束通过所述的显微物镜汇聚后形成为一聚焦光斑。

所述的聚合物分散液晶光开关包括两块ITO导电玻璃和设置于两块所述的ITO导电玻璃的导电面之间且厚度均匀的聚合物分散液晶薄膜。

所述的ITO导电玻璃的厚度不超过所述的显微物镜的焦距。

所述的可调光阑的孔径略小于所述的激光倍频系统输出的紫外激光束的直径。

所述的反射镜与所述的可调光阑输出的紫外激光束成45度角。