一种CO2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法与流程

本发明涉及光学材料与光学元件，具体涉及一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法。

背景技术：

1、作为最基本的微光学元件，微透镜阵列在准直、聚焦、成像、传感和光束整形等领域具有广泛的应用。熔石英材料不仅具有优异的光学性能，而且具有耐高温、抗热冲击、化学稳定性高、耐射线辐照等优点，利用其制备的微透镜阵列可满足多种恶劣环境条件下的使用需求。然而，熔石英作为典型的硬脆材料，其高硬度、高脆性、高耐磨性、高电阻性、高抗腐蚀性等使得对其加工变得非常困难，因此，熔石英微透镜阵列制备一直是研究的焦点。目前，最广泛应用的制备熔石英微透镜阵列的方法是将光刻胶熔融法和离子束刻蚀法有机地相结合，将光刻胶微柱熔融形成的微透镜面形转移到熔石英基片上来，该现有技术涉及到复杂的热熔光刻胶微透镜曲面到熔石英微透镜曲面的刻蚀传递，并且刻蚀深度通常为数微米水平，难以实现熔石英微透镜面形的灵活控制，难以制备大矢高的熔石英微凸透镜阵列。

2、飞秒激光可以通过多光子电离机制将材料直接激发到等离子体态，实现绝热的超快刻蚀过程，避免了热效应导致的加工精度退化和材料选择问题，可加工各种固态材料，飞秒激光直写已被用于制备熔石英微透镜阵列，但是，其逐点扫描的加工特性往往导致加工耗时较长，加工硬质材料后的表面粗糙度较高，在一定程度上降低了微透镜的光学性能。发明专利cn102759800a公开了一种飞秒激光增强化学刻蚀制备微透镜阵列的方法，这种加工方式是在飞秒激光诱导材料表面产生缺陷的基础上，再进行湿法刻蚀处理，以加速刻蚀效率，得到表面更光滑、质量更高的凹面熔石英微透镜阵列。choi等人(opt.lasertechnol.2015,75:63–70)报导了一种首先利用飞秒激光制作微光栅结构，然后再利用co2激光进行熔融辅助整形，制备熔石英凸面微透镜阵列的方法。以上制备熔石英微透镜阵列的方法都使用到了较为昂贵的飞秒激光器。发明专利cn106125166b和cn106932844b公开了利用运行费用较为低廉的co2激光对熔石英进行局域结构调控，然后利用氢氟酸进行湿法刻蚀制备凹面微透镜阵列和微凹柱透镜阵列的方法，此种方法制备的微透镜阵列矢高只有数微米(opt.lett.2017,42(6):1093–1096)。因此，现有技术难以实现经济高效地制备大矢高的凸面熔石英微透镜阵列。

3、co2激光已经广泛直接用于熔石英光学元件加工。发明专利cn113296178b公开了一种利用co2激光在熔石英表面烧蚀光滑高斯凹坑并利用其相邻拼接制备成正弦相位光栅的方法。发明专利cn112355488b公开了一种利用co2激光在熔石英表面引入相爆炸烧蚀凹坑点制备软边光阑的方法。发明专利cn105948519b公开了一种利用co2激光剥离损伤点修复熔石英元件的方法。发明专利202310270554.2公开了一种利用co2激光在熔石英内引入残余应力作为内用力制备偏振调制元件的方法。因此，现有的熔石英材料co2激光直接加工方法没有制备大矢高的凸面熔石英微透镜阵列的能力。

4、针对目前硬脆性熔石英材料大矢高微透镜阵列加工遇到的瓶颈，必须进行制备机制创新，探索大矢高熔石英微凸透镜阵列加工新机制，解决目前技术不能经济高效制大矢高熔石英微凸透镜阵列的难题。

技术实现思路

1、为解决目前制备微凸透镜阵列存在复杂、低效和成本高的技术问题，本发明提供了一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法。

2、其技术方案如下：

3、一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其要点在于，按照以下步骤进行：

4、s1、设定利用co2激光实现巨大温度差升华熔石英材料的参数：升温速度大于等于1.0×109k/s，加温至气化温度以上；降温速度大于等于6×106k/s，保持基底为固态，避免基底熔融流动；

5、s2、设定利用co2激光对升华熔石英材料进行单层加工的参数：利用co2激光采用平行线扫描进行拼接的方式对升华熔石英材料实现单层加工，形成每条平行线的相邻光斑的重叠率大于等于77.8％，相邻平行线之间的相邻光斑的重叠率大于等于85.0％；

6、s3、设定利用矩阵式co2激光分层升华熔石英材料的多层加工路径，该多层加工路径通过步骤s2中的单层加工参数逐层组合而成；

7、s4、按照步骤s3中设定的多层加工路径进行至少一次加工，利用矩阵式co2激光分层升华熔石英材料，制备得到微凸透镜阵列。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果：

9、采用以上技术方案的一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，工艺简洁，易于实现，制备方法经济高效，克服了co2激光直接制备微凸透镜阵列的技术问题，解决了co2激光直接制备微透镜阵列过程中出现的熔融流动破坏微透镜表面轮廓的的难题。该方法不仅可以实现一维柱透镜阵列，而且可以方便地实现正方形微透镜阵列的制备，制备的微透镜凸面大矢高，抗激光损伤；其中，通过设计co2激光的参数来实现巨大温度差，能够在气化去除一定厚度熔石英材料的同时，确保基底材料表面在整个加工过程始终保持固体状态，避免通常co2激光加工熔石英过程中出现的熔化现象导致的加工表面形貌变形失控；同时，通过设计co2激光的参数，能够实现co2激光以升华熔石英材料的机制均匀剥离一层，保证微凸透镜阵列的加工精度。

技术特征：

1.一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其特征在于：所述步骤s3中，每层加工路径是一个由固定宽度的co2激光单层升华加工单元组成的矩阵，每个矩阵单元中的co2激光光斑均按照相同方向的平行线进行扫描，形成一维加工矩阵，矩阵单元中的单层宽度随着矩阵加工层数的增加按照抛物线方程或者圆弧线方程进行设定；所述步骤s4中，制备得到厚度方向截面的外缘呈抛物线或圆弧线的凸面微柱透镜阵列。

3.根据权利要求1所述的一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其特征在于：所述步骤s3中，每层加工路径是由两个扫描方向垂直的固定宽度的co2激光单层升华加工单元组成的矩阵，形成二维加工矩阵，矩阵单元中的加工宽度随着矩阵加工层数的增加按照抛物线方程或者圆弧线方程进行设定；所述步骤s4中，制备得到横截面均为正方形的正方形微透镜阵列。

4.根据权利要求1所述的一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其特征在于：所述步骤s1中，co2激光为平顶脉冲，功率为170w，脉宽为2.5μs～3.5μs，光斑直径为90μm。

5.根据权利要求1所述的一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其特征在于：所述步骤s2中，对升华熔石英材料进行单层加工的去除深度为1.4μm～3.0μm。

6.根据权利要求1所述的一种co2激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，其特征在于：所述步骤s4中，采用扫描振镜或者二维平移台配合矩阵式co2激光按照步骤s3设定的多层加工路径升华熔石英材料。

技术总结本发明公开了一种CO<subgt;2</subgt;激光升华熔石英材料制备微凸透镜阵列的方法，按照以下步骤进行：S1、设定利用CO<subgt;2</subgt;激光实现巨大温度差升华熔石英材料的参数；S2、设定利用CO<subgt;2</subgt;激光对升华熔石英材料进行单层加工的参数；S3、设定利用矩阵式CO<subgt;2</subgt;激光分层升华熔石英材料的多层加工路径；S4、按照步骤S3中设定的多层加工路径进行至少一次加工。采用以上技术方案，工艺简洁，易于实现，制备方法经济高效，克服了CO<subgt;2</subgt;激光直接制备微凸透镜阵列的技术问题，解决了CO<subgt;2</subgt;激光直接制备微透镜阵列过程中出现的熔融流动破坏微透镜表面轮廓的的难题。该方法不仅可以实现一维柱透镜阵列，而且可以方便地实现正方形微透镜阵列的制备，制备的微透镜凸面大矢高，抗激光损伤。技术研发人员：张传超,王海军,廖威,张丽娟,蒋晓龙,方振华,蒋晓东,朱启华受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心技术研发日：技术公布日：2024/6/13