[发明专利]一种多材料面型可控毫米尺度透镜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多材料面型可控毫米尺度透镜及其制备方法，属于激光微纳加工技术领域，本发明采取两束离子束斜入射的方法轰击在硬质材料样品表面，样品被固定在样品托上以一定速度均匀旋转，刻蚀一段时间可以得到一个非常光滑的毫米尺度透镜。本发明提供的毫米尺度透镜由于其出色的稳定性和表面质量，将其用作模板去转写毫米尺度凸透镜也是非常合适的。总之，本发明通过两束离子束斜入射的方法最终可以高效的在各种硬质材料表面刻蚀出光滑均匀且面型可控的毫米尺度透镜，一定程度上解决了毫米尺度透镜制备时表面形态控制困难，表面质量差，制备效率低，制备过程复杂等问题。

技术领域

本发明属于激光微纳加工技术领域，具体涉及利用离子束刻蚀技术在不同硬质材料表面实现面型可控的毫米尺度凹透镜的一种高效的制备方法。利用两束离子束会聚并且斜入射到不同硬质材料的表面，可以高效的刻蚀制备均匀且面型可控的毫米尺度凹透镜。

背景技术

随着科学技术的进步，现代光学系统的发展趋势是微型化和集成化，这就要求光学系统的尺寸从厘米级下降到毫米级和微米级。毫米尺度透镜和微米尺度微透镜作为现代集成光学器件中极其重要的基础元件，得到了研究人员广泛的研究。透镜面型一般可以简单分为球面和非球面，常用轴对称非球面面型的数学表达式为Y轴为系统光轴，x为系统各点的横坐标值，c为透镜顶点处曲率，k为非球面的圆锥系数，也是决定透镜面型的关键参数；根据圆锥系数k值的不同，面型可以分为双曲面、抛物面、椭圆、圆、横扁椭圆五种类型。除了一般的球面面型，各种非球面面型的透镜拥有各种奇特的优势，如双曲面型透镜主要用于反射和望远系统，抛物面型透镜主要用于离轴望远系统，椭圆面型透镜主要用于激光准直仪器等。目前已经发展出许多制备微透镜的方法，如光刻、纳米压印、刻蚀辅助飞秒激光加工等，但这些方法应用到毫米尺度透镜上却都面临着难以制备甚至无法制备的问题。在各种硬质材料表面制备满足光学系统使用需求的毫米尺度透镜还面临着诸如表面形态控制困难，表面质量差，制备效率低，制备过程复杂等问题。

目前主流的制备毫米尺度透镜的方法可以简单分为以下几类：

一、注射成型等微加工手段：注射成型是指利用压力将胶体压入模板来制备结构，使用方法简单，效率也可以得到保证；但模板的难以制备，表面质量差以及不适用于硬质材料等缺点限制了它的使用；

二、金刚石车削等精密加工手段：金刚石车削方法是指利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的光学零件，面型基本可控，比较适合于加工非金属等硬度较低的材料；但加工效率以及加工表面的质量等问题制约着该技术的普及；

三、离子束直接刻蚀等加工手段：离子束刻蚀等方法是指直接利用高能离子束轰击样品表面，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，制备精度较高，表面质量良好；但离子束目前一般被用于垂直轰击刻蚀微米尺度微透镜，理论上增加刻蚀时间也能刻蚀出球型透镜，但刻蚀效率很低，透镜面型也难以控制。

发明内容