[发明专利]面浮雕微结构达曼光栅的复制方法

说明书

技术领域

本专利涉及达曼光栅，特别是一种面浮雕微结构达曼光栅的复制方法。

背景技术

达曼光栅是非常重要的一种光学元件，被广泛的应用于光学测量、集成光学、光通信和光信息处理等领域。面浮雕微结构达曼光栅主要采用微电子工艺制造，成本高，不适合大批量的生产。将微结构光栅制造技术和微结构复制技术相结合，是一条低成本批量生产微结构达曼光栅的有效方法。

目前面浮雕微结构光学器件的复制技术主要有热压(hot embossing)，注塑成型(injecting moulding)，铸造与紫外复制(casting and UV-embossing)和溶胶-凝胶(sol-gel)几种方法。

以上几种方法通常需要在原始面浮雕结构上用电镀的方法形成一种金属复制工具，大部分为制造复制工具的微结构所使用的电镀过程都是由电镀镍来实现的。这种工艺的基本操作步骤如下：原版的表面通常是一种非导电材料，首先，必须镀上一层薄金属层，为随后的电镀形成导电层，然后导电基板在镍电镀槽中进行电镀产生一个耐用的镍复制品，该复制品可以毫无损伤地与原版脱离。

热压(hot embossing)就是指用冲压机、滚压机或者称之为往复式的复制系统将表面浮雕微结构热压在热塑性的薄片中。典型的聚合物包括聚氯乙烯(polyvinyl)聚碳酸酯(polycarbonate，简称为PC)。通常的做法是将镍模板和聚碳酸酯(PC)片放置在一块玻璃平板上，在加压的条件下加热至远高于塑料的软化温度T_g之上，当除去压力并冷却至T_g温度以下时，塑料胶片就可以和镍模版相分离，得到平面微结构的复制品。这种技术尤其适用于复制浅型微结构和无特征尺寸要求、无需高纵横比的深型结构。

注塑成型(injecting moulding)技术被广泛地应用于消费领域和工业塑料元件的大规模生产中，是指被熔化的塑料在高压条件下，在一个含有被复制的浮雕微结构的温控模具内逐步成型，塑料被取出之前在模具中冷却和固化，形成高保真度的微结构复制品。最常用的材料是聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。这种技术可以生产高分辨率的复制品，以及在冷却后就可使复制后的塑料与模具分离，适合亚微米和深浮雕特征的高精度复制，但一般来说不能够同时满足许多衍射光学元件微结构对高分辨率和深微结构的要求。

铸造和紫外复制(casting and UV-embossing)，是指将树脂涂于模板表面，然后使其凝固，分离得到复制品的方法。紫外复制技术是通过紫外辐射固化，将铸造技术与快速固化相结合的一种技术。复制的基本方法为：镍板镀上一层薄的紫外固化材料(光敏胶)，并且将它面对玻璃基板放置，随后被加压固化，并在固化后分离，使微结构复制在基板上的薄的聚合物模层内。镍板上可以喷涂一层分离膜，以帮助分离。这种技术特别适合于高分辨率和深微结构的精确复制。

溶胶凝胶(sol-gel)法是指表面浮雕微结构复制在SiO₂基底材料上的一种复制方法。这种方法首先将微光学元件母版用传统的复制方法复制在塑料材料中，这种塑料元件就成为sol-gel复制工艺的模子，然后用sol-gel技术将模子结构复制到SiO₂材料中。其工艺过程包括：混合、浇铸、凝胶、老化、干燥和密化六个工序。这种方法的最主要优点就是能将微结构复制到SiO₂这种理想的光学材料中，而且复制表面结构尺寸范围很宽，其特征尺寸可以从毫米到亚微米范围，并且能复制多种复杂的表面，包括凹凸面、非球面、闪耀面、多台阶面等。