基于激光加工的玻璃透鏡陣列制備

李乾坤，劉學青，成 榮

(1.清華大學 精密儀器系 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京 100084；2.清華大學 機械工程系，北京 100084)

引 言

微透鏡及微透鏡陣列由于體積小、易集成等優(yōu)勢，被越來越廣泛地應用于光電器件、集成微光學、光束整形、圖像傳感、微納制造及仿生結構等領域。目前有很多方法已經(jīng)被用于制備微透鏡及微透鏡陣列，例如，光刻、熱壓印、熱回流、電化學技術以及激光直寫等[1-8]。這些方法主要用于制備聚合物微透鏡陣列，而聚合物微透鏡陣列受限于自身材料軟、易于變形，因此不利于在實際苛刻環(huán)境中的應用。相比而言，硬質(zhì)材料微透鏡及微透鏡陣列具有優(yōu)異的抗磨損特性，使用壽命更長，光學性能更穩(wěn)定，在實際中具有更大的應用價值。因此實際應用中對于硬質(zhì)材料微透鏡陣列的需求更大?？紤]到這一原因，目前已經(jīng)有很多方法被提出用于制備基于硬質(zhì)材料甚至是超硬材料的微光學器件[9-14]。金剛石車削和光刻結合刻蝕技術是兩種較為常用的制備微透鏡陣列的技術。但金剛石車削能夠加工的透鏡尺寸通常在百微米量級，難以實現(xiàn)更小尺寸微透鏡的制備。而光刻結合刻蝕難以制備出高填充比的透鏡陣列。因此，如何實現(xiàn)硬質(zhì)材料微透鏡陣列的制備仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近年來，飛秒激光加工由于具有較高的加工精度、可加工材料范圍廣、真3維加工能力等優(yōu)勢[15-20]，在微光學、微流體、傳感等器件制備中展現(xiàn)了巨大的應用潛力[21-27]。例如，WEI等人利用飛秒激光在材料內(nèi)部實現(xiàn)了3維光子晶體結構的制備并成功地應用于非線性光束的整形[17]。除此之外，結合熱退火或刻蝕等后續(xù)平滑工藝可以實現(xiàn)石英、硅等硬質(zhì)材料表面微凹透鏡陣列的制備。在本文中，作者采用了刻蝕輔助激光加工技術制備藍寶石微凹透鏡陣列。由于藍寶石具有較高的熔點，以藍寶石微凹透鏡陣列為模板，通過高溫澆鑄轉寫技術，實現(xiàn)了K9玻璃微凸透鏡陣列的快速制備，驗證了K9玻璃微凸透鏡陣列對于多波長光線的成像與聚焦性能。另外，對于藍寶石模板的使用壽命進行了分析。

1 實 驗

實驗中所有的樣品在加工前經(jīng)過了清潔處理，依次在丙酮、乙醇和去離子水中超聲處理5min，隨后在烘箱中烘干待用。圖1所示為刻蝕輔助激光加工制備藍寶石微凹透鏡陣列模板以及高溫澆鑄轉寫制備K9玻璃微凸透鏡陣列的示意圖。首先，利用飛秒激光在藍寶石表面加工出點陣結構。采用的激光器的波長為343nm，脈寬為290fs以及重復頻率為200kHz，激光的能量為8μJ。激光聚焦采用的是焦距為10cm的場鏡，雖然場鏡聚焦的加工精度比高數(shù)值孔徑的顯微物鏡差，但可加工的范圍大。藍寶石樣品晶面為c-面(0001)，尺寸為1.5cm×1.5cm，表面粗糙度為0.2nm。然后，對激光加工后的樣品進行刻蝕處理。采用的刻蝕機為感應耦合等離子體刻蝕機(型號-ICP-100A,TAILONG ELECTRONICS)。刻蝕的上極射頻功率為600W，下極射頻功率為300W?？涛g氣體為氯氣和三氯化硼，流量分別為20mL/min和30mL/min。在這些條件下，藍寶石的刻蝕速率大概為100nm/min。

藍寶石的熔點大概為2000℃，而K9玻璃的軟化點大概為750℃。因此利用制備的藍寶石微凹透鏡陣列為模板，利用高溫澆鑄轉寫可以實現(xiàn)K9玻璃微凸透鏡陣列的制備。如圖1所示，將K9玻璃放置在藍寶石襯底上，加熱到800℃并保持10min，在加熱過程中，K9玻璃不斷軟化，并依靠自身重力逐漸填充藍寶石凹透鏡陣列模板。藍寶石與K9玻璃由于熱膨脹系數(shù)差在加熱過程中產(chǎn)生應力，然后在自然冷卻過程中，應力通過兩者之間的界面釋放，實現(xiàn)藍寶石模板和K9玻璃的分離。在實驗中，利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM,型號-JEOL JSM-6700F,Japan)、激光共聚焦掃描顯微鏡(laser confocal scanning microscope,LCSM,型號-OLS4100,Japan)以及原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM,型號-Dimension Icon,Bruker Corporation)對樣品的形貌進行了表征。

Fig.1 The schematic of fabrication of microlens arrays

2 結果與討論

2.1 藍寶石微凹透鏡陣列模板的制備

圖2a所示為利用飛秒激光在藍寶石襯底上加工的點陣結構。研究表明，藍寶石在飛秒激光輻照后會發(fā)生相變，即藍寶石由單晶相轉變?yōu)槎嗑Щ蚍蔷28]。除了發(fā)生相變，激光輻照的區(qū)域也會產(chǎn)生微納米結構。這些變化使得激光輻照區(qū)的材料具有更高的化學活性，因此具有更高的刻蝕速率，所以在刻蝕過程中激光輻照區(qū)的材料會快速地被去除掉，形成凹坑結構。而隨著刻蝕時間的增加，凹坑結構不斷的擴大并逐漸平滑形成透鏡結構。圖2b所示為刻蝕3h后，激光加工的損傷點逐步擴展形成了規(guī)則的圓形的透鏡結構。從圖中也可以看出，相鄰兩個透鏡之間也會相互疊加，隨著疊加區(qū)域的不斷擴大，才能實現(xiàn)透鏡陣列的填充比為100%。

Fig.2 SEM images of microstructures fabricated before and after etching

本文中采用了感應耦合等離子體刻蝕對激光加工后的藍寶石樣品進行處理。雖然濕法化學腐蝕結合激光加工能夠實現(xiàn)石英微透鏡陣列的制備，但對于藍寶石不適用。藍寶石各個晶向的化學腐蝕速率差別較大，在濕法腐蝕過程表現(xiàn)出強烈的各向異性腐蝕[29]，難以形成光滑的曲面。而利用氯氣和三氯化硼的混合等離子體能夠消除刻蝕過程中的各向異性，因此在刻蝕后能夠形成光滑的曲面?；谝陨辖Y果，作者設計并制備了大面積藍寶石微凹透鏡陣列結構，如圖3a所示。相鄰子透鏡之間的間距為15μm。而且相鄰子透鏡之間相互重疊，實現(xiàn)了填充比為100%，而且排列均勻，如圖3b所示。

Fig.3 SEM image and local-amplified image of large-area sapphire concave microlens array

2.2 K9玻璃微凸透鏡陣列的制備

圖4a為制備的K9玻璃微凸透鏡陣列。在大面積范圍內(nèi)排列均勻整齊，而且密排布的透鏡陣列的填充因子為100%，如圖4b所示。與圖3相比可知，K9玻璃微凸透鏡陣列與藍寶石微凹透鏡陣列模板在排布和均勻性上具有很好的一致性。這與玻璃軟化后充分填充模板具有直接的關系。另外，得益于藍寶石和玻璃之間較大的熱膨脹系數(shù)差，使得降溫過程中玻璃和藍寶石模板能夠完好分離。藍寶石的熱膨脹系數(shù)為5.59×10-6K-1[30]，而玻璃的熱膨脹系數(shù)為7.67×10-6K-1[31]，比藍寶石熱膨脹系數(shù)大約高27.1%。巨大的熱膨脹系數(shù)差使得在降溫過程中藍寶石和玻璃之間產(chǎn)生了非常大的應力，而應力通過兩種材料的分離實現(xiàn)釋放。因此，玻璃透鏡完好保持了藍寶石模板的形貌。由圖5a所示的3維形貌可以看出，子透鏡的高度也較為均勻，子透鏡之間的尺寸均勻性，保證了子透鏡的焦平面保持在同一平面上，有利于其在多光束微納加工中的應用。由于在加熱降溫過程中，玻璃表面能夠實現(xiàn)一定的自平滑，因此，玻璃透鏡的表面平滑度較高，由原子力顯微鏡測試可知，表面的粗糙度僅有納米左右，如圖5b所示。而且，由圖5c所示的透鏡陣列的橫截面形貌可知，各個子透鏡都具有較光滑的表面。

Fig.4 SEM image and local-amplified image of large-area K9 glass convex microlens array

Fig.5 3-D morphological imaged obtained by LCSM and AFM the cross-section profile of a microlens array

每個子透鏡的高度大約為1μm，透鏡間的間隔被設置為15μm。

2.3 透鏡陣列的聚焦和成像性能

微透鏡是否具有較好的聚焦和成像效果是評估其光學性能的重要參量，為此搭建了如圖6a所示的測試系統(tǒng)。光源通過小孔或者具有一定圖形的縫隙后，形成特殊形狀的光源，例如字母“F”，經(jīng)過玻璃微凸透鏡陣列后，在其焦平面上成實像“F”的陣列，然后利用顯微物鏡將產(chǎn)生的“F”像的陣列投射到CCD上采集。

Fig.6 The schematic of measurement of focusing and imaging properties of microlens arrays，and the obtained photos of focusing and imaging test(the insert photos are the amplified images)

圖6b和圖6c中分別為獲得的聚焦和成像結果。由圖可知，制備的玻璃微凸透鏡陣列在大面積范圍內(nèi)具有較好的聚焦以及成像效果，且具有較好的均勻一致性。從放大圖可以清晰地看到每個子透鏡都具有清晰的聚焦點陣與字母“F”的像陣列。

K9玻璃在可見區(qū)具有較高的透明性，因此是可見區(qū)非常重要的光學玻璃材料。然而由于衍射效應，表面微結構通常會對光學玻璃的光透過率產(chǎn)生較大的影響。因此，作者對轉寫后的K9玻璃微透鏡陣列進行了透過率和反射率測試，如圖7所示。從圖7a中的透過率曲線可以看出，經(jīng)過加熱及冷卻處理后，表面具有微凸透鏡陣列的K9玻璃與拋光、但沒有經(jīng)過加熱及冷卻處理的K9玻璃相比，透過率下降了10%左右，但透過率仍然達到80%左右，保持著很高的透過性。從圖7b的反射譜可以看出，經(jīng)過加熱及冷卻處理后，表面具有微凸透鏡陣列的K9玻璃與拋光、沒有經(jīng)過加熱及冷卻處理的K9玻璃相比，反射率基本保持不變，僅僅在低波段反射率大約增加2%，這也反映了結構表面的粗糙度較小。

Fig.7 Transmittance and reflectance of K9 glass with and without microlens arrays

由于制備的玻璃微凸透鏡陣列在可見波段仍然具有較高的透過率，因此其可以實現(xiàn)不同波長光源的聚焦和成像。首先通過白光光源的聚焦測試，沒有明顯的色散，如圖8a所示，說明對于可見區(qū)的不同波長，焦距的差別較小。在測試多波長聚焦和成像時，通過在光源出光口處插入濾光片，得到了波長分別為436nm,460nm,546nm,582nm和630nm的光源。由圖8b～圖8f中不同波長的聚焦測試可知，制備的玻璃微凸透鏡陣列對于可見區(qū)的光都具有清晰的聚焦效果。通過成像效果的測試，對于白光同樣沒有明顯的色散現(xiàn)象,如圖9a所示。而對于不同波長的光都展現(xiàn)了清晰的成像效果，如圖9b～圖9f所示。

Fig.8 Focusing photos under different light source conditions

Fig.9 Imaging photos under different light source conditions

2.4 藍寶石透鏡模板的重復使用

雖然藍寶石襯底和玻璃由于具有較大的熱膨脹系數(shù)差，在加熱和降溫過程中依靠應力的釋放較為容易分開，但在藍寶石模板表面仍然會殘留一些玻璃的碎屑。圖10a所示為在經(jīng)過10次轉寫后，藍寶石微凹透鏡陣列模板的光學照片。從圖中可清晰地看到殘留的玻璃碎屑。多次使用后，這些碎屑的積累會對再次轉寫的結構的平滑度產(chǎn)生較大的影響。因此，在多次使用后，需要對模板進行清潔處理。由于經(jīng)過高溫處后，玻璃碎屑粘附在藍寶石襯底上，利用超聲無法去除。經(jīng)過摸索，作者采用了氫氟酸腐蝕的工藝去除藍寶石表面的玻璃碎屑。由于氫氟酸與藍寶石單晶基本不發(fā)生反應[25]，因此在腐蝕去除玻璃碎屑的過程中不會對藍寶石微透鏡產(chǎn)生影響。圖10b所示為利用體積分數(shù)為0.05的氫氟酸腐蝕10min后，藍寶石微凹透鏡陣列模板的光學照片，結構表面的玻璃碎屑被去除干凈。因此，在將來的產(chǎn)業(yè)化應用中，在每次轉寫后，對模板進行氫氟酸溶液的清潔處理，能夠最大限度地確保轉寫的成功率。

Fig.10 Optical photos of sapphire concave microlens array before and after corrosion by HF solution

3 結 論

采用刻蝕輔助飛秒激光加工技術實現(xiàn)了藍寶石微凹透鏡陣列模板的制備?；谒{寶石與K9玻璃具有較大的熱膨脹系數(shù)差，以及藍寶石的熔點高于玻璃的軟化點，通過高溫澆鑄轉寫技術實現(xiàn)了K9玻璃微凸透鏡陣列的快速制備。制備的玻璃微凸透鏡陣列具有較高的表面平滑度，表面粗糙度大約為2nm。由于表面質(zhì)量較好，而且具有微透鏡陣列的玻璃的透過率仍然高于80%，因此在可見波段對于不同波長的光都具有清晰的聚焦和成像效果。通過對藍寶石模板進行氫氟酸腐蝕處理，可實現(xiàn)模板的重復利用。該技術為實際應用中硬質(zhì)材料微光學器件的制備提供了新的思路。