[发明专利]一种基于高压气体辅助CO2

说明书

本专利涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种基于高压气体辅助CO₂激光熔融的微透镜制造方法，包括以下步骤：步骤一：制造预形体，利用机械加工的方法制造预形体；步骤二：CO₂激光重塑，利用CO₂激光器发射CO₂激光至预形体表面使之产生高温区域，且此温度高于材料熔化温度或软化温度，后利用喷嘴喷射高压气体至软化区域使之重新塑形；步骤三：多区域重塑，CO₂激光焦点、喷嘴保持运动一致，且与光学材料之间产生直线、螺旋、回转、锯齿振动等相对运动，光学材料与CO₂激光焦点、喷嘴产生相对三维运动，对不同区域光学材料高温熔化与塑形。本发明利用激光熔融的快速成形性，并辅以高压气体成形，实现光学材料微透镜的高效加工。

技术领域

本发明涉及光学材料加工设备技术领域，具体是一种基于高压气体辅助CO₂激光熔融的微透镜制造方法。

背景技术

光学材料主要包括光学玻璃材料、石英材料、光学晶体材料等。光学材料微透镜结构具有单元尺寸小、集成程度高的特点，可实现平面/三维成像、光干涉/衍射，拥有传统透镜无法实现的功能，并能构成许多新型的光学系统。微透镜在AR/VR、通信互联及精确制导等领域都有广阔的应用情景。现阶段的光学材料微透镜的加工方法主要有光刻法、高能束加工法、成形复制法及超精密机械加工法。

光刻法是利用曝光和蚀刻方法，将掩膜板上的平面几何图形转移到单晶表面或介质层上，形成几何图形结构的技术。光刻技术制造微透镜的方法有光刻胶热熔法、灰度掩膜法和二元套刻法。光刻技术能够在聚合物、硅、石英等光学材料上加工出一定精度及尺寸要求的微透镜结构，但是存在工艺复杂、掩膜制作困难、对准误差大、一致性难以保证等问题。

高能束加工技术是利用高能密度的激光束、电子束或离子束去除工件材料的加工技术。激光直写技术更适合高深宽比沟槽、孔等微结构的加工，电子束直写具有束径小、加工材料的范围广、加工温度容易控制和污染少等特点，离子束刻蚀是利用离子源产生的离子在真空中经加速聚焦而形成的高速高能的束状离子流对工件材料进行蚀除加工的方法。但是，激光束加工易造成材料烧蚀或者变质，电子束加工存在加工效率低下、加工尺寸范围极小等问题，离子束刻蚀也存在掩膜加工困难的问题。

成形复制法主要是通过微注塑成形技术与精密玻璃模压成形技术实现微透镜的加工，具有成形周期短、效率高、技术成熟的优势。其中，微注塑成形技术的加工对象材料仅限于聚合物，而聚合物对温度、环境敏感，容易发生变形、变质、变色等问题，严重影响透镜在高端光学系统中的应用。精密玻璃模压成形技术的加工精度由模具形状和表面精度直接决定，对模具要求极高，且长寿命耐高温模具加工困难；如对于成形温度在1500℃以上的石英材料，由于极难制造可承受如此高温度的模具而难以模压成形，这限制了成形复制法在工业上的推广应用。

超精密机械加工技术主要指超精密磨削/切削技术，通过机床的运动和刀具对工件材料的剪切作用实现精度及尺度的极限加工，能够实现硬脆材料的平面、球面或非球面等大尺寸曲面的加工。但由于砂轮尺寸及磨损的限制，超精密机械加工难以用于极小尺寸的微透镜加工。此外，超精密切削加工时间较长，刀具磨损严重，致使加工误差增大，降低微透镜的整体均一性，并且带来极高的刀具使用成本。

发明内容

本发明意在提供一种基于高压气体辅助CO₂激光熔融的微透镜制造方法，利用激光熔融的快速成形性，并辅以高压气体成形，实现光学材料微透镜的高效加工。

为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：

一种基于高压气体辅助CO₂激光熔融的微透镜制造方法，包括以下步骤：

步骤一：制造预形体，利用机械加工的方法制造适用于所设计微透镜结构的预形体；