在二氧化硅玻璃上快速制作大面积凹面微透镜结构

引言

近年来，飞秒激光直写技术已经成为制造任意纳米精度三维微结构的热门工具。飞秒激光诱导双光子聚合(TPP)允许在聚合物中形成微透镜或更复杂的3D微结构。然而，这种逐点过程受到低效率的限制。只有微结构或纳米壳的表层通过直接激光写入进行光聚合，内部通过紫外光固化，制造效率显著提高。

我们提出了一种在二氧化硅玻璃上快速制作大面积凹面微透镜结构的新方法，该方法可用作在聚合物上复制多层膜的成型模板。我们的方法不同于经典的fs激光直写过程。它包括毫秒级的原位激光曝光和氢氟酸湿法腐蚀工艺。聚焦的飞秒激光脉冲触发了一系列复杂的材料响应，改变了焦斑的物理和化学性质；然后在化学湿法蚀刻的帮助下，在那些激光改性的斑点中形成具有光滑表面的凹形弯曲结构。

实验

图1示意性地描绘了聚合物多层膜的制造过程，其包括两个步骤：生产具有凹形微结构的成型模板和在聚合物上复制凸形微透镜。为了制造成型模板，使用由钛宝石脉冲激光振荡器-放大器系统产生的飞秒激光束(波长= 800纳米；脉冲持续时间= 30fs；重复频率= 1千赫)，通过显微镜物镜聚焦到抛光的石英玻璃芯片表面。激光曝光点是逐点产生的。对于每个光斑，曝光时间由快速机械快门控制，激光功率由可变衰减器调节。激光曝光后，样品在室温下浸入5%氢氟酸溶液(用去离子水稀释)中。为了保证微结构的均匀性，在化学刻蚀过程中，采用超声波浴去除液固界面产生的气泡。制造过程可以通过配备有电荷耦合器件照相机的光学显微镜来监控。当光滑凹面成功制造时，样品用去离子水清洗并干燥。

用场发射扫描电子显微镜观察了聚合物多层膜的形貌。用于扫描电镜观察的样品通过涂覆厚度为几纳米的铂原子薄膜进行预处理，所用电压为20千电子伏。微透镜的横截面和3D轮廓由激光扫描共聚焦显微镜测量，MLAs的成像能力是通过钨光源的光学显微镜系统获得的。

总结和讨论

凹陷结构的形成机理：

借助于图2(d)所示的示意图，可以简单地描述激光-物质相互作用产生的强冲击波的过程。当入射飞秒激光脉冲的注量高于石英玻璃的损伤阈值时，由于多光子吸收过程等非线性效应，光子的能量沉积到材料中；原子被电离，然后在几皮秒内引发库仑爆炸。爆炸产生的等离子体从焦斑中爆发出来，在样品表面形成损伤坑，如图2(b)所示。然后由烧蚀羽流快速膨胀引起的强大排斥力产生冲击波；周围材料的晶格因此被压缩。在接下来的几纳秒内，材料的反复压缩和释放会产生几个冲击波。石英玻璃内部多重冲击波和物质喷射的时间分辨阴影图已经通过泵探针技术观察到。此外，通过横截面透射电子显微镜研究，损伤已经可视化。研究表明，硅芯片内部的飞秒激光诱导损伤区域可以从几百纳米到几微米，这取决于所用的激光功率。在我们的实验中，强飞秒激光脉冲会产生一个微米大小的改性区域，在较高的刻蚀速度下被氢氟酸快速刻蚀掉。此后，凹入结构内部的蚀刻速度与未曝光材料的蚀刻速度相同。结构的直径线性增加，深度不变。

结果

为了证明这种方法的灵活性，本方法展示了三角形、矩形和六边形的无间隙微弯曲结构，以及复杂的双尺寸和双形状结构。随后，具有超过16，000个透镜的凸微透镜阵列通过将凹六边形微结构用作模具而被忠实地复制在PDMS上。光学参数的计算结果证明了这种方法制造高f数的能力微透镜和成像性能的观察进一步表明了微透镜阵列的高质量。最重要的是，这种方法有许多显著的特点，使其对微模塑聚合物有吸引力。首先，这是一种快速、低成本的聚合物微尺寸曲面加工方法。其次，可以在一个模具中产生具有不同凹陷高度的不同微结构，并且可以通过精确布置激光曝光点和激光功率来简单地单独控制形状，这可以为微光学或微分析设备的设计者提供有价值的原型工具。

　　审核编辑：汤梓红