[发明专利]一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法

说明书

本发明公开了一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法，该结构包括玻璃材料基板及其表面的随机微透镜阵列结构，且这些微透镜的尺寸和位置均随机分布。该光束均匀化结构利用尺寸和位置均随机分布的微透镜将照射到其表面的入射光束分割为无数孔径大小随机、焦距长短随机的子光束，这些子光束被随机微透镜折射后在基板后方不同位置处发生叠加，每个子光束的微小不均匀性将在叠加过程中被平滑，从而使出射光束更加均匀。该随机微透镜阵列结构的制备方法利用了随机多边形金属掩蔽层导致的随机腐蚀起始位置、玻璃内物质浓度随机分布导致的随机腐蚀速率、二氧化硅腐蚀的各向同性，实现了位置和尺寸均随机分布的微透镜制作。

技术领域

本发明涉及光束均匀化领域和微纳米加工领域，具体涉及一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法。

背景技术

近年来，由于光学系统对于光束质量要求的不断提升，用于激光光束整形、光源照明、环境模拟等领域的光束均匀化器件取得了长足的发展。在激光加工、医疗等激光应用领域，由于激光光束的强度为高斯分布，中心能量高，边缘能量低，在实际应用中存在作用区域不均匀的问题，往往需要将其变换为平顶分布来实现光束均匀化的目的；在LED照明、汞灯照明和太阳模拟器系统中，为了获得均匀的照明条件，需要将光源发出的光束均匀化后再导入光学系统中使用。

目前，光束均匀化技术主要有非球面透镜组、微透镜阵列系统、衍射型光束均匀化器件和随机微透镜阵列等。非球面透镜组利用非球面透镜的相位调制作用，第一个非球面负责整形，第二个非球面负责准直，能量转换率高，但不具有光束适应性，仅对单模高斯光束整形效果较好；微透镜阵列系统由一或两片微透镜阵列与聚焦透镜组成，但微透镜阵列的周期性，聚焦光斑的均匀性较差；衍射型光束均匀化器件是针对单个波长进行设计，一般工作频段较窄，适用于光谱范围小的特定工作场合，不具有通用性。随机微透镜阵列的微透镜焦距和周期均随机分布，因此光束均匀化效果良好，但受限于连续面形微纳米加工技术的发展，现阶段制作的随机微透镜阵列均匀化效果无法满足实用需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构及其制作方法。

该用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构包括玻璃材料基板及其表面的随机微透镜阵列结构，这些微透镜的尺寸和位置均随机分布。该光束均匀化结构利用尺寸和位置均随机分布的微透镜将照射到其表面的入射光束分割为无数孔径大小随机、焦距长短随机的子光束，这些子光束被随机微透镜折射后在基板后方不同位置处发生叠加，每个子光束的微小不均匀性将在叠加过程中被平滑，从而使出射光束更加均匀。

该随机微透镜阵列结构的制作方法是借助随机多边形金属掩蔽层的遮挡作用，随机地从不同位置处向玻璃基底内部腐蚀，由于玻璃内部除二氧化硅以外的物质浓度是随机分布的，导致腐蚀速率随机分布，又由于玻璃材料湿法腐蚀的各向同性，呈现出位置、口径均随机分布的微小透镜无序阵列结构。

本发明的显著特点是该光束均匀化结构的制作方法简便易行，对光束的均匀化效果良好，可实现大面积、批量化地制作。

本发明所述的用于光束均匀化的随机微透镜阵列结构的制作方法，通过以下技术方案进行实施，包括以下步骤：

步骤(1)、以玻璃材料1作为基底；

步骤(2)、利用薄膜沉积技术，在玻璃材料1表面沉积一层金属薄膜2；

步骤(3)、在金属薄膜2上均匀涂覆一层光刻胶3；

步骤(4)、利用光学曝光技术，将掩模板4上的随机多边形结构制作在光刻胶3上；

步骤(5)、经显影，获得光刻胶结构掩蔽层5；

步骤(6)、将整个基片浸入金属薄膜材料腐蚀液6中；

步骤(7)、利用湿法腐蚀技术，将随机多边形结构从光刻胶结构掩蔽层5传递到金属膜层2上；