[发明专利]利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于飞秒激光微纳加工光学器件领域，特别涉及利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，在硬质材料表面高效进行大规模准周期微透镜阵列的制备，其制备结果可作为一种高损伤阈值的匀光器件。

背景技术

在高精度激光微纳加工及成像、光信息处理、激光驱动惯性约束核聚变及激光的医学临床应用等诸多领域里，对辐照光斑光强的均匀性都有着较高的要求。而通常激光器产生的激光束的空间强度分布都呈高斯型，因此，通过高斯光束来获得均匀光斑一直以来都是国内外研究的热点。目前普遍采用的是衍射光学元件，这种元件具有衍射效率高、光斑轮廓可调等特点，但存在设计复杂、加工困难、激光损伤阈值较低等不足。

在之前的专利中，曾经提出利用飞秒激光湿法刻蚀的方法制作矩形或六边形均匀排布的大规模微透镜阵列作为一种匀光器件，但光源通过均匀排布的大规模微透镜阵列后会产生明显的的周期光场耦合叠加效应，影响匀光质量。且均匀排布的微透镜阵列制作效率有限，要制作一块阵列尺寸为厘米级的阵列需要几个甚至几十个小时的时间。

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利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，利用飞秒激光独特的加工特性，结合传统化学刻蚀工艺，最终实现该匀光器件即大规模准周期微透镜阵列高效率、低成本的批量生产。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

利用飞秒激光湿法刻蚀制备准周期微透镜阵列的方法，包括以下步骤：

步骤一、选取作为飞秒激光作用靶材的硬质材料，依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中彻底清洁，再将靶材固定于飞秒激光微纳精密加工系统上，选用脉冲重复频率为100Hz到100kHz、脉冲宽度为30到150fs、波长为325到1064nm的超短脉冲激光，经数值孔径值为0.3至0.9的物镜聚焦在硬质材料表面；

步骤二、每个激光脉冲会在靶材上产生一个光破坏区。调整精密加工平台的移动速度即调整相邻两个脉冲之间的作用距离，根据所需要加工的准周期微透镜阵列平均尺寸，控制精密加工平台移动靶材的速率，即可在靶材上得到不同间距的点阵阵列；

步骤三、利用体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液对飞秒激光加工后的靶材进行化学腐蚀，腐蚀时间为5-20分钟，并且用超声波水浴加热辅助，加热温度为30-80摄氏度，加热时间为3-15分钟；

步骤四、将腐蚀之后的靶材在去离子水中彻底清洗干净，即形成一块可作为高损伤阈值匀光器件的大规模准周期微透镜阵列模板成品。

所述的作为靶材的硬质材料为6面抛光的石英玻璃或K9玻璃。

所述的氢氟酸溶液指体积浓度为1％至10％的氢氟酸溶液，浓度不同会导致腐蚀速率与表面光滑度不同。由于氢氟酸对光破坏区的腐蚀速度远高于对其他区域的腐蚀速度，所以以光破坏区为中心会逐渐腐蚀出一个光滑的凹面结构，也即一个独立的凹面微透镜个体。

所说的微透镜阵列为非规则形状准周期排布的微透镜阵列。

本发明首先利用飞秒激光直接作用的方式在靶材表面加工一个光破坏区，之后利用化学刻蚀的方法以光破坏区为中心腐蚀出一个光滑的凹面结构，每一个凹面结构即为一个独立凹面微透镜个体。并且可以通过改变飞秒激光功率、化学腐蚀时间和光破坏区间距来控制每个准周期微透镜个体的尺寸和形貌。

本发明的优点在于：

1）本发明的加工工艺非常高效，利用飞秒激光单脉冲作用与湿法刻蚀的有效结合，极大的提高了飞秒激光湿法刻蚀的效率，利用高重复频率飞秒激光快速扫描的方法，能够在1小时之内制备出多达100万个独立的准周期微透镜个体所构成的阵列，本发明适于制备大面积匀光器件，所制备的非规则微透镜阵列整体尺寸可达到几十厘米。

2）本发明所制备的作为高损伤阈值匀光器件的大规模非规则微透镜阵列模板其透镜个体为负透镜形貌，可以避免正微透镜阵列在匀光过程中对高功率激光聚焦后所造成的空气击穿效应。

3）本发明所制备的大规模准周期微透镜阵列与规则排布的矩形或六边形微透镜阵列模板相比，其匀光性具有明显优势。由于本发明中微透镜个体的非规则性，可以有效消除光源通过规则排布的大规模微透镜阵列模板后的周期光场耦合叠加效应，如图4所示。

4）本发明所制备的非规则微透镜阵列其尺寸和形貌均人为可控，用不同的控制程序可以制备个体尺寸为2-100μm的大规模准周期微透镜阵列。