[发明专利]环形微褶皱光学镜片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光学和微加工领域，特别是涉及一种环形微褶皱光学镜片及其制备方法。

背景技术

在软-硬双层薄膜中，如在软膜部分引入收缩应力，因硬膜部分难于收缩，则软-硬双层薄膜结构会发生失稳屈曲，形成类正弦型微褶皱结构。近年来，研究者们主要使用PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）作为基体。这种材料具有在可见光下透明、常温下呈现高弹性橡胶状、通常情况下化学性能稳定、无毒、制作简单、成本较低等特点，从而在微电子器件结构和封装领域获得了广泛应用。通常，在PDMS基体上制作薄膜，并产生大规模微结构的方法有两种。一种是在基体上溅射金、铝等薄膜，利用薄膜和基体热膨胀系数、弹性模量的不匹配来产生薄膜屈曲，从而生成微褶皱。第二种方法是利用PDMS与氧等离子体反应或在紫外光照射下，表面化学键断裂，生成硬度远高于原PDMS的硬化层。在热应力或其他压缩应力作用下，该硬化层发生屈曲，生成微褶皱。褶皱的周期及高度可以通过理论公式确定，其中λ为环形微褶皱的周期，H为软材料薄膜的厚度，h为硬材料薄膜的厚度，E_s为软材料薄膜的杨氏模量，E为硬材料薄膜的杨氏模量，v_s为软材料薄膜的泊松比。（Z.Y.Huang,W. Hong and Z.Suo,J.of Mech.and Phys.of Solids,2005,53,2101-2118）

这样的微褶皱结构可以起到类似传统光学元件的一些作用，如一维褶皱就可以被当作光学光栅（Sk.Faruque Ahmed,Geon-Ho Rho,Kwang-Ryeol Lee,Ashkan Vaziri and Myoung-Woon Moon,Soft Matter,2010,6,5709-5714）。由于本发明的环形微褶皱光学镜片的光学性能与角锥透镜类似，故在此介绍一下角锥透镜。角锥透镜也称作旋转对称透镜，是一种拥有一个圆锥面和一个平面的透镜。角锥透镜有如下两个特点：一是它将入射平行光汇聚为贝塞尔光束。这是一种具有很长聚焦深度的光束，或者说此光束的发散很慢从而能够在很长距离内保持较细的光腰；同时贝塞尔光束具有重构能力，即在遇到障碍物时在障碍物后将重新恢复光束的形状。二是它将入射平行光变换为一个环形光束。角锥透镜的光路示意图如图1a所示，其中靠近圆锥表面的汇聚区是贝塞尔光束；其后当光束进一步发散后形成一个环状光束，参见图1b。角锥透镜被应用于激光打孔、望远镜、角膜手术、光镊等领域。

现有技术中，包括角锥透镜在内的各种光学镜片普遍采用玻璃材料，以致具有如下缺点：镜片加工成本高、难以制作较大面积的镜片，大面积镜片具有较大的重量从而难以携带。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种环形微褶皱光学镜片及其制备方法，用于解决现有技术中衍射光学元件加工成本高、难以制作较大面积的镜片，大面积镜片具有较大的重量从而难以携带等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种环形微褶皱光学镜片的制备方法，所述制备方法至少包括：1）提供一表面具有预设形状和预设尺寸的孔洞的基底及一软材料薄膜，将所述软材料薄膜固定于所述基底的表面，并使所述软材料薄膜覆盖所述孔洞；2）从所述孔洞的预设位置提拉或顶推所述软材料薄膜至一预设高度形成锥状结构；3）于所述锥状结构表面沉积硬材料薄膜，或使锥状结构的表面硬化形成硬材料薄膜，然后去除对所述锥状结构的提拉或顶推，使所述软材料薄膜表面及所述硬材料薄膜形成具有预设周期的环形微褶皱，以完成所述环形微褶皱光学镜片的制备。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述孔洞为孔径为0.1~200cm的圆孔。

进一步地，所述步骤2）中，从所述圆孔中心提拉所述软材料薄膜至一预设高度形成圆锥结构，其中，所述预设高度与所述圆孔孔径的比值为0.1~2∶1。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述预设周期由公式：确定，其中λ为环形微褶皱的周期，H为软材料薄膜的厚度，h为硬材料薄膜的厚度，E_s为软材料薄膜的杨氏模量，E为硬材料薄膜的杨氏模量，v_s为软材料薄膜的泊松比。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述预设周期为0.2~30μm。

作为本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法的一个优选方案，所述软材料薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜为金薄膜。

本发明还提供一种环形微褶皱光学镜片，至少包括：

软材料薄膜，其表面具有预设周期的环形微褶皱；