[发明专利]一种准分子激光旋转刻蚀快速制作有机玻璃曲率可调微透镜的方法

摘要

一种准分子激光旋转刻蚀快速制作有机玻璃曲率可调微透镜的方法，属于微光学器件及激光先进制造技术领域。该加工系统主要由计算机、激光器、激光匀束器、掩膜及掩膜调换台、聚焦物镜、同轴观察系统、旋转台及微移动工作台组成，通过进行掩膜设计、加工系统的光路及旋转台轴心校准等准备工作，然后进行掩膜投影旋转刻蚀的方法来加工有机玻璃PMMA来获得圆形度较好的微透镜，其中掩膜孔的形状和尺寸由待加工微透镜的参数来进行设计。本发明用来加工制作微透镜或微透镜阵列，具有非接触、热效应影响小、低成本、高效率、高精度、微透镜的曲率可调控、可重复性强等优点。

主权项

一种快速制作有机玻璃曲率可调微透镜或微透镜阵列的方法，其特征在于，采用的装置包括：装有系统控制应用程序的计算机(1)、准分子激光器(2)、光束匀束器(3)、用于贴掩膜的掩膜调换台(4)、半反半透镜(5)、聚焦物镜(6)、加工台、电机驱动器(11)，同轴观察摄像头(12)，其中加工台的设计分为三部分，由下往上依次为：三维微移动台(10)、旋转台(9)、二维微移动台(8)；计算机(1)分别和准分子激光器(2)、电机驱动器(11)、同轴观察摄像头(12)连接，准分子激光器(2)、光束匀束器(3)、掩膜调换台(4)依次光路连接，掩膜调换台(4)的入射光处有掩膜，掩膜调换台(4)的出射光通过半反半透镜(5)的反射光通过聚焦物镜(6)汇聚到二维微移动台上的有机玻璃上；同轴观察摄像头(12)与半反半透镜(5)、聚焦物镜(6)、二维微移动台(8)之间组成直线光路连接，构成实时观察系统；电机驱动器(11)分别与三维微移动台(10)、旋转台(9)、二维微移动台(8)连接；包括以下步骤：(1)根据待加工的微透镜的要求设计制作类扇形孔结构的掩膜：根据待加工的微透镜的尺寸及曲率，计算出有机玻璃表面沿径向的刻蚀量，由聚焦物镜的倍率来设计类扇形掩膜孔的直径边曲线形状和尺寸，然后加工制作掩膜；类扇形孔结构的直径边为待设计的曲线；(2)校准激光器的加工光路：校准准分子激光器的光路结构，使准分子激光器的指示光与准分子激光器发出的紫外激光同轴重合，经过匀束后的激光束能够垂直穿过掩膜面的孔以及穿过聚焦物镜光轴；(3)安装掩膜于合适位置：将制作好的掩膜放置到掩膜调换台(4)的入射光处，掩膜调至合适的位置，使经过匀束后的光斑能够覆盖整个掩膜孔且使类扇形孔的圆心在准分子激光束光斑中心区域，固定紧掩膜及掩膜台；(4)放置有机玻璃样品(7)并校准刻蚀面：将清洁后的有机玻璃板放置在加工台的二维微移动台(8)上，使指示光斑能够照射到待制作微透镜的区域，然后通过控制驱动三维微移动台在竖直方向上移动来校准，使掩膜孔投影的类扇形投影像清晰的投影到样品上表面，即样品表面所投影的类扇形投影形状轮廓清晰，大小与聚焦物镜的缩小倍率相符；(5)旋转台轴心的校准：开启加工台上的旋转台，首先采用低转速及低脉冲频率的激光脉冲进行同步刻蚀，通过由同轴观察摄像头所组成的实时观察系统来观察激光在样品表面的刻蚀轨迹，同时驱动三维微移动台的两个水平方向来调节旋转台旋转中心的位置，使旋转台旋转中心向类扇形投影像的圆心靠拢；待其接近时，旋转台旋转及激光器暂停，然后进行微调，旋转台每旋转90°后进行一次刻蚀，旋转一周后，微调三维微移动台的两个水平方向，最终使旋转台的旋转中心和投影刻蚀光斑类扇形投影像的圆心重合；(6)微透镜的刻蚀加工：更换一块新的清洁后的且厚度与校准时所用样品相同的有机玻璃板，选择合适的旋转台转速、激光刻蚀脉冲频率及单脉冲能量，采用同步刻蚀的模式，设置旋转台旋转量为1周，然后开始刻蚀加工微透镜，刻蚀过程中，有机玻璃板随旋转台同步旋转，投影光斑相对于有机玻璃板围绕旋转台的旋转中心进行旋转刻蚀加工，由于沿径向的各位置所积累下来的平均曝光量不一样，刻蚀量也不一样，所以形成不同曲率的微透镜；(7)微透镜的抛光处理。