局部濕蝕刻法制備硅玻璃凹微透鏡陣列

引言

微透鏡陣列是重要的光學(xué)器件，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)、微制造和生物化學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種利用飛秒激光增強(qiáng)化學(xué)濕法刻蝕在石英玻璃上大面積制作凹面微透鏡陣列的簡(jiǎn)單有效的方法。通過(guò)飛秒激光原位輻照和氫氟酸刻蝕工藝，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制備出直徑小于100微米的大面積密排矩形和六邊形凹面多層膜。所制備的多層膜顯示出優(yōu)異的表面質(zhì)量和均勻性。與傳統(tǒng)的熱回流工藝相比，本方法是一種無(wú)掩模工藝，通過(guò)調(diào)整脈沖能量、噴射次數(shù)和蝕刻時(shí)間等參數(shù)，可以靈活控制多層膜的尺寸、形狀和填充圖案。

實(shí)驗(yàn)

矩形和六邊形填充的凹面多層膜通過(guò)三步工藝制造。最初，在拋光的石英玻璃芯片(10 ×10×1 mm3)上使用30-fs和800nm激光脈沖以1 kHz的重復(fù)頻率(激光源是鈦:藍(lán)寶石脈沖激光振蕩器-放大器系統(tǒng))誘導(dǎo)直徑為幾微米的燒蝕誘導(dǎo)坑。飛秒激光由于其熱損傷和沖擊波誘導(dǎo)的損傷可忽略不計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)被物鏡聚焦時(shí)(NA = 0.5)，可以容易地在透明材料如二氧化硅玻璃上產(chǎn)生凹坑，而不會(huì)產(chǎn)生熔化噴射和裂紋，這將影響所制造的微透鏡的形態(tài)。焦斑的直徑約為1.4 m (1/e)。脈沖能量可以通過(guò)可變中性密度濾光器來(lái)改變，拍攝的次數(shù)由快門來(lái)控制。參考文獻(xiàn)[20]中提供了此處使用的設(shè)置的更多細(xì)節(jié)。隨后，在23℃的超聲波浴輔助下，在5%氫氟酸溶液中處理帶有凹坑的樣品。在此過(guò)程中，激光誘導(dǎo)的凹坑中的化學(xué)蝕刻速度加快，并開始形成凹球面；因此，多層膜是在幾十分鐘內(nèi)制成的。最后，樣品分別在丙酮、乙醇和去離子水中通過(guò)超聲波浴清洗15分鐘，并在環(huán)境空氣中干燥。矩形和六邊形多層膜所采用的工藝參數(shù)，包括脈沖能量E、注射次數(shù)N、化學(xué)蝕刻時(shí)間τ和相鄰微透鏡之間的距離L，列于表1中。

結(jié)果和討論

在實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)制作過(guò)程由一個(gè)裝有電荷耦合器件照相機(jī)的光學(xué)顯微鏡監(jiān)控。圖2顯示了從激光誘導(dǎo)彈坑陣列變化而來(lái)的矩形和六邊形多層膜的演化。開始時(shí)，各向同性化學(xué)蝕刻發(fā)生在激光處理的點(diǎn)中，產(chǎn)生矩形或六邊形，圖案中的圓形凹陷結(jié)構(gòu)，其可以用作圓形多層膜。然后，圓形微透鏡的孔徑隨著化學(xué)蝕刻而逐漸擴(kuò)大，最終，相鄰的微透鏡彼此“重疊”，導(dǎo)致四方和六邊形微透鏡的形成。證明了微透鏡的填充圖案和形狀可以容易地通過(guò)激光照射點(diǎn)的排列和化學(xué)蝕刻時(shí)間來(lái)控制。制作的矩形和六邊形多層膜的面積分別約為3 × 3 mm2和1.5 × 1.5 mm2，整個(gè)加工時(shí)間約為3小時(shí)，比LDW工藝更有效。圖3(a)和3(b)分別顯示了矩形和六邊形多層膜的掃描電鏡圖像。它們直觀地表達(dá)了多層膜優(yōu)異的表面質(zhì)量和均勻性。為了評(píng)估多層膜的焦距，如圖5所示，建立了一個(gè)由氦-氦激光器(633納米)、計(jì)算機(jī)控制的載物臺(tái)、透鏡和電荷耦合器件照相機(jī)組成的光學(xué)系統(tǒng)fexp。沿著平行于激光束(z軸)的方向移動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的載物臺(tái)，可以通過(guò)由電荷耦合器件照相機(jī)捕獲的圖像來(lái)確定頂面和焦點(diǎn)的位置。

圖6顯示了矩形[圖6(a)]和六邊形MLAs[圖6(b)]的成像能力。利用聚焦飛秒激光脈沖在玻璃基100納米金薄膜上制作了一個(gè)帶有字母“FE”的掩膜。然后將它插入鎢光源和多層反射鏡之間。因此，如圖6所示，通過(guò)放置在多層透鏡另一側(cè)的物鏡(NA = 0.3)和電荷耦合器件照相機(jī)捕獲減少的假圖像。

圖9顯示了微透鏡的輪廓對(duì)脈沖能量E和拍攝次數(shù)n的影響。這里，D和h也是從用5% HF溶液處理120分鐘的10個(gè)微透鏡獲得的平均值。我們可以看到，微透鏡的D和h隨著E的增加而增加，分別如圖9(a)和9(b)所示，但它們并不強(qiáng)烈依賴于N，N存在于圖9(c)和9(d)中。這些微透鏡的曲率半徑由公式計(jì)算。(1)及其對(duì)E和N的依賴性在圖9(e)和9(f)中標(biāo)出并擬合。R的最大值傾向于在中間脈沖能量(3.0-4.5 J)下獲得，如圖9(e)所示。這是由于D和h對(duì)E的增加幅度不同造成的，以N = 1000為例，見圖9(a)和9(b)，當(dāng)E = 0.36 J時(shí)，制作的微透鏡孔徑約為45 m，而E增加到7.39 J，D相應(yīng)增加到約90 m，因此D的增加幅度約為100%。然而，根據(jù)等式，h的該值約為400%。(1)，當(dāng)E約為3.5 J時(shí)，得到N = 1000的最大R，另一方面，當(dāng)拍攝次數(shù)大于1000時(shí)，D和h的值逐漸達(dá)到飽和，分別如圖9(c)和9(d)所示。因此，如圖9(f)所示，微透鏡的曲率半徑與N幾乎沒有關(guān)系。值得一提的是，氮的增加有利于減少激光脈沖之間能量不穩(wěn)定性的影響，提高多層膜的均勻性，但也會(huì)增加加工時(shí)間。在我們的實(shí)驗(yàn)中，采用的拍攝次數(shù)N = 500是一個(gè)優(yōu)化值。

審核編輯：湯梓紅