[发明专利]一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法

说明书

本发明涉及一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，属于激光应用技术领域。本发明的目的是为了解决传统平面微透镜阵列只具备单一NA值，且加工方法效率低下、加工难度大的问题；该方法通过对高斯型飞秒激光空间整形得到多个贝塞尔光束，以此对玻璃样品进行改性，利用贝塞尔相位中不同锥底角产生的贝塞尔区域长度不同这一规律，在同一个样品上单次曝光即可实现不同的改性深度，之后利用氢氟酸对改性后的样品进行刻蚀，得到具有多个NA值、高表面质量的微透镜阵列。该方法兼顾高加工质量、高加工效率、高形貌可控性、加工后微透镜NA值调节范围大，满足微透镜阵列应用中对NA值的不同需求。

技术领域

本发明涉及一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

微透镜阵列作为一种重要的微型化光学元件，由于其强大的成像和光场调节能力，在三维成像、蛋白质检测、光场均匀化、波前传感和微加工等方面得到了广泛的应用。然而传统的平面微透镜阵列中的微透镜只具备单一数值孔径(NA)，NA值的大小与成像景深往往成反比关系，因此在加工微透镜阵列时的NA值选择对成像而言至关重要。低NA值微透镜具有较大的成像景深，因此可在多个深度都能获得较清晰的图像，但与此同时可能会影响对深度估计的准确性；高NA值微透镜具有较高的空间分辨率，但其成像景深小，无法在多个深度获得较清晰的图像。具有多个NA值的微透镜阵列通过将不同的NA值微透镜结合在一起，有效解决了空间分辨率和大成像景深无法兼容的问题。

微透镜阵列的传统加工方法有机械磨削加工、热回流、喷墨打印、模型复刻、飞秒激光法等。机械磨削每个加工周期只能加工单个微透镜，对于加工微透镜阵列而言加工效率极低；热回流只能加工具有单一NA值的微透镜阵列，无法一次性满足多个NA值的需求；喷墨打印和模型复刻一般只针对聚合物微透镜进行加工，而聚合物在苛刻的条件(如高温、高压)下容易变形，极大地限制了实际应用。目前利用飞秒激光加工微透镜阵列的方法主要有两种，一种是采用飞秒激光直写加工出微透镜的轮廓，该方法能够加工任意形状、尺寸的微透镜阵列，但该方法的加工效率低，并不适用于阵列加工，且该方法加工的微透镜表面精度较低，严重限制了在实际中的应用；另一种是采用传统的飞秒激光辐照硬脆材料改性后湿法刻蚀形成微透镜，该方法的加工效率相比于第一种方法有了极大的提高，然而该方法无法一次性在同一个微透镜阵列中加工出多个NA值的微透镜。因此迫切需要一种加工效率高、加工表面质量好且具有多个NA值的微透镜阵列加工方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统平面微透镜阵列只具备单一NA值，且加工方法效率低下、加工难度大的问题，提供一种空间整形飞秒激光辅助湿法刻蚀加工具有多个NA值的微透镜阵列的方法；该方法通过对高斯型飞秒激光空间整形得到多个贝塞尔光束，以此对玻璃样品进行改性，利用贝塞尔相位中不同锥底角产生的贝塞尔区域长度不同这一规律，在同一个样品上单次曝光即可实现不同的改性深度，之后利用氢氟酸对改性后的样品进行刻蚀，得到具有多个NA值、高表面质量的微透镜阵列。该方法兼顾高加工质量、高加工效率、高形貌可控性、加工后微透镜NA值调节范围大，满足微透镜阵列应用中对NA值的不同需求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种加工具有多个数值孔径的微透镜阵列的方法，具体步骤如下：

步骤一：以石英玻璃作为基底材料，根据不同贝塞尔光束之间的贝塞尔区域长度差，设计贝塞尔相位图，计算公式如下：

β＝arcsin(nsinα)-α (1)

其中β为出射角,α为相位图中的锥底角,n为相位图中锥透镜相位的折射率,这里取1.45进行计算，Z_max为进入缩束系统之前贝塞尔区域的长度,w₀为入射高斯型激光的束腰半径。

步骤二：为了滤除0级光对加工光束的干扰，在贝塞尔光束相位图的基础上叠加棱镜相位，使从SLM出射的加工光束与干扰光分离；