技术领域
[0001] 本
发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种熔石英微凹柱透镜阵列的制备方法。
背景技术
[0002] 微柱透镜阵列广泛应用于高功率激光光束整形。熔石英以其优异的化学
稳定性和良好的光学性能，极其适合用于强光条件下使用的微柱透镜阵列的制备。目前，制作玻璃微透镜阵列的方法有离子交换法、光敏玻璃热成形法、离子束
刻蚀图形转移法、激光直写法等。然而，目前的玻璃材质微透镜阵列的制备方法有很大的局限性，有的方法只适用于某些特殊的玻璃，并且普遍存在加工过程复杂、耗时、效率低下以及成本高昂的特点。针对目前玻璃微柱透镜阵列加工面临的问题，研究出一种微柱透镜制备新方法成为当务之急。
[0003]
现有技术中，发明
专利CN106125166A公开了一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，其采用脉冲式二
氧化
碳激光，通过脉冲式二氧化碳激光逐点辐照拼接的方式对熔石英样品的表面进行辐照，得到正方形堆积排列和六
角形堆积排列的圆形孔径微透镜阵列，论文文献“Fabrication of concave microlens arrays by local fictive temperature modification of fused silica”，(Vol.42,No.6；March 15 2017；Optics Letters)，同样公开了一种采用脉冲式二氧化碳激光，通过脉冲式二氧化碳激光逐点辐照拼接的方式对熔石英样品的表面进行辐照，得到
正交堆积排列和六角形堆积排列的圆形孔径微透镜阵列，图8示出了该方法制备得到六角形(a)堆积排列的微透镜阵列的光学显微图像(a)和成像效果图(b)以及正交堆积排列的微透镜阵列的光学显微图像(c)和成像效果图(d)，现有技术中得到的是圆形孔径或六边形、正方形等异形孔径的微透镜阵列，而对于一维的柱透镜阵列，在现有技术中还没有相关的技术能够制备得到。
发明内容
[0004] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或
缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0005] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种熔石英微凹柱透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一、对熔石英光学样片进行超声清洗；
[0007] 步骤二、从二氧化碳
激光器获得连续稳定的二氧化碳激光；并使用扫描场镜f-θ透镜对二氧化碳激光进行聚焦；
[0008] 步骤三、将超声清洗后的熔石英样片装入夹具，并放置在f-θ透镜聚焦的二氧化碳激光的焦点
位置；同时将二氧化碳激光器设置为连续出光模式；
[0009] 步骤四、采用振镜系统扫描聚焦后的二氧化碳激光辐照熔石英样片表面；
[0010] 步骤五、二氧化碳激光辐照后的熔石英样片放入
氢氟酸溶液进行湿法刻蚀；
[0011] 步骤六、对湿法刻蚀形成的熔石英微凹柱透镜阵列进行喷淋和超声清洗，得到熔石英微凹柱透镜阵列。
[0012] 优选的是，所述步骤四中，振镜系统扫描熔石英样片表面以平行
逐行扫描的方式进行，制备得到平行微凹柱透镜阵列；所述平行逐行扫描的扫描间距为0.1mm～1mm。
[0013] 优选的是，所述步骤四中，振镜系统扫描熔石英样片表面，首先以平行逐行扫描的方式进行，再接着以垂直于先前的扫描方向逐行扫描，制备得到正交微凹柱透镜阵列；所述平行逐行扫描的扫描间距为0.1mm～1mm。
[0014] 优选的是，所述步骤四中，振镜系统扫描熔石英样片表面以螺旋形扫描的方式进行，制备得到螺旋微凹柱透镜阵列；所述螺旋形扫描的扫描间距为0.1mm～1mm。
[0015] 优选的是，所述振镜系统扫描的速度为1mm/s～3m/s；所述二氧化碳激光器为射频激励二氧化碳激光器，
波长为10.6μm，光斑直径尺寸范围为100μm～2mm。
[0016] 优选的是，所述步骤一中，超声清洗的方式为：将熔石英光学样片加入
碱性溶液中，并采用依次在60KHz、80KHz、120KHz、160KHz、180KHz、200KHz的超声
频率下处理，每个频率处理时间为3～5min，然后将熔石英光学样片加入高纯
水中，在100～150KHz的频率下，超声5～10min，烘干。
[0017] 优选的是，所述碱性溶液的制备方法为：按重量份，取氢氧化钠5～10份、氢氧化
钾3～5份、尿素1～3份、EDTA四钠1～3份、烷基糖苷1～3份加入150～200份60～70℃的水中，搅拌均匀，冷却至室温后，加入水200～300份、聚
丙烯酸钠0.5～1.5份、次氮基三乙酸0.1～
0.3份、十八烷基二羟乙基氧化胺0.1～0.3份、
葡萄糖酸钠0.1～0.5份、2，4-二羟基二苯砜
0.1～0.3份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸0.1～0.3份搅拌均匀，得到混合溶液，即碱性溶液。
[0018] 优选的是，所述混合溶液还包括以下处理过程：将混合溶液置于恒温槽中，选用
探头式脉冲
超声波仪器对
混合液进行超声处理，所述探头式脉冲
超声波仪器的探头插入混合液下5～10cm，混合液的液面高度保持12～15cm，脉冲时间为15～20s，占空比为60％～85％，恒温槽中控制
温度为25℃，声强为100～500W/cm2，超声频率25～45KHz，处理时间为
60～120分钟；所述探头的直径为20mm。
[0019] 优选的是，所述步骤一中，在超声处理过程中，向清洗液溶液中通入
氨气；所述氨气的通气速率为50-100mL/min；所述步骤六中，超声清洗采用将熔石英光学样片加入高纯水中，在100～150KHz的频率下，超声5～10min，并在在超声清洗过程中，向清新液中通入N2气体；所述N2气体的通气速率为100-150mL/min。
[0020] 优选的是，所述步骤五中，湿法刻蚀的过程为：将辐照处理后的熔石英样片放入氢氟
酸溶液中，并采用依次在0.8MHz、1MHz、1.2MHz、1.3MHz、1.5MHz的兆声场频率下进行刻蚀，每个兆声场频率刻蚀时间为5～10min；所述氢氟酸溶液的
质量分数为1～3％。
[0021] 本发明利用连续二氧化碳激光辐照提高熔石英局域湿法刻蚀速率获得微凹柱透镜阵列。采用以上方案，直接在熔石英表面实现了平行微凹柱透镜阵列、正交微凹柱透镜阵列和螺旋微凹柱透镜阵列的制造，制造的微凹柱透镜阵列无实焦点，尤其适用于高功率光束整形等应用。
[0022] 本发明至少包括以下有益效果：
[0023] (1)采用本发明提供的熔石英微凹柱透镜阵列的制备方法，利用功率恒定的连续二氧化碳激光；简洁高效地直接在熔石英表面实现了一维的柱透镜阵列，例如平行微凹柱透镜阵列、正交微凹柱透镜阵列和螺旋微凹柱透镜阵列的制造，并且制造的一维的微凹柱透镜阵列无实焦点，尤其适用于高功率光束整形等应用。
[0024] (2)采用碱性溶液配合超声的清洗方式，对熔石英光学样片进行清洗，极大的提高了熔石英元件的表面洁净度，有利于后期辐照处理过程。
[0025] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
[0026] 图1为
实施例1中得到的微凹柱透镜阵列的光学显微图；
[0027] 图2为实施例1垂直于微凹柱透镜阵列方向表面轮廓图；
[0028] 图3为实施例1中光学显微观察微凹柱透镜阵列成像效果图；
[0029] 图4为实施例2中得到的正交微凹柱透镜阵列的光学显微图；
[0030] 图5为实施例2光学显微观察正交微凹柱透镜阵列成像效果图；
[0031] 图6为实施例3中得到的螺旋微凹柱透镜阵列光学显微图；
[0032] 图7为实施例3光学显微观察螺旋微凹柱透镜阵列成像效果图；
[0033] 图8为现有技术中得到的六角形(a)堆积排列的微透镜阵列的光学显微图像(a)和成像效果图(b)以及正交堆积排列的微透镜阵列的光学显微图像(c)和成像效果图(d)。具体实施方式：
[0034] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照
说明书文字能够据以实施。
[0035] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0036] 实施例1：
[0037] 一种熔石英微凹柱透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0038] 步骤一、对熔石英光学样片进行超声清洗；
[0039] 步骤二、从100W射频激励二氧化碳激光器(占空比100％)获得连续稳定的二氧化碳激光；并使用扫描场镜f-θ透镜对二氧化碳激光进行聚焦；
[0040] 步骤三、将超声清洗后的熔石英样片装入夹具，并放置在f-θ透镜聚焦的二氧化碳激光的焦点位置；同时将二氧化碳激光器设置为连续出光模式；
[0041] 步骤四、采用振镜系统扫描聚焦后的二氧化碳激光以平行逐行扫描的方式辐照熔石英样片表面；振镜系统扫描速度为3m/s，扫描间距0.1mm；
[0042] 步骤五、二氧化碳激光辐照后的熔石英样片放入氢氟酸溶液进行湿法刻蚀40分钟；
[0043] 步骤六、对湿法刻蚀形成的熔石英微凹柱透镜阵列进行喷淋和超声清洗，得到平行微凹柱透镜阵列；如图1所示，光学显微图像表明制备的微凹柱透镜阵列光滑均匀；台阶仪垂直于柱透镜方向采集的轮廓如图2所示，轮廓曲线指出制备的各个柱透镜凹面轮廓高度一致；光学
显微镜观察微凹柱透镜阵列对底照明
光源的成像效果如图3所示，观察到的一维虚像均匀明晰，说明制备的微凹柱透镜阵列具有优异的光学性能。
[0044] 实施例2：
[0045] 一种熔石英微凹柱透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0046] 步骤一、对熔石英光学样片进行超声清洗；
[0047] 步骤二、从60W射频激励二氧化碳激光器(占空比100％)获得连续稳定的二氧化碳激光；并使用扫描场镜f-θ透镜对二氧化碳激光进行聚焦；
[0048] 步骤三、将超声清洗后的熔石英样片装入夹具，并放置在f-θ透镜聚焦的二氧化碳激光的焦点位置；同时将二氧化碳激光器设置为连续出光模式；
[0049] 步骤四、采用振镜系统扫描聚焦后的二氧化碳激光平行逐行扫描石英样片表面后，再以扫描方向改变90度的方式在先前辐照区平行逐行扫描；振镜系统扫描速度为3m/s，扫描间距0.08mm；
[0050] 步骤五、二氧化碳激光辐照后的熔石英样片放入氢氟酸溶液进行湿法刻蚀40分钟；
[0051] 步骤六、对湿法刻蚀形成的熔石英微凹柱透镜阵列进行喷淋和超声清洗，得到正交微凹柱透镜阵列；如图4所示，光学显微图像表明制备的正交结构均匀；
光学显微镜观察正交微凹柱透镜阵列对底照明光源的成像效果如图5所示。
[0052] 实施例3：
[0053] 一种熔石英微凹柱透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0054] 步骤一、对熔石英光学样片进行超声清洗；
[0055] 步骤二、从100W射频激励二氧化碳激光器(占空比100％)获得连续稳定的二氧化碳激光；并使用扫描场镜f-θ透镜对二氧化碳激光进行聚焦；
[0056] 步骤三、将超声清洗后的熔石英样片装入夹具，并放置在f-θ透镜聚焦的二氧化碳激光的焦点位置；同时将二氧化碳激光器设置为连续出光模式；
[0057] 步骤四、采用振镜系统扫描聚焦后的二氧化碳激光以螺旋形方式辐照熔石英样片表面；振镜系统扫描速度为3m/s，扫描间距0.1mm；
[0058] 步骤五、二氧化碳激光辐照后的熔石英样片放入氢氟酸溶液进行湿法刻蚀40分钟；
[0059] 步骤六、对湿法刻蚀形成的熔石英微凹柱透镜阵列进行喷淋和超声清洗，得到螺旋微凹柱透镜阵列；如图6所示，光学显微图像表明制备的螺旋结构均匀；光学显微镜观察螺旋微凹柱透镜阵列对底照明光源的成像效果如图7所示。
[0060] 实施例4：
[0061] 所述步骤一中，超声清洗的方式为：将熔石英光学样片加入碱性溶液中，并采用依次在60KHz、80KHz、120KHz、160KHz、180KHz、200KHz的超声频率下处理，每个频率处理时间为3min，然后将熔石英光学样片加入高纯水中，在100KHz的频率下，超声5～10min，烘干；采用多频超声波清洗，频率逐步提升，在低频超声波作用下可以清洗大颗粒物质，在高频超声波作用下可以清洗小颗粒物质，实现对熔石英元件的全面清洗；
[0062] 其与工艺参数和过程与实施例1中的完全相同，制备得到平行微凹柱透镜阵列。
[0063] 实施例5：
[0064] 所述碱性溶液的制备方法为：按重量份，取氢氧化钠8份、氢氧化钾4份、尿素2份、EDTA四钠2份、烷基糖苷2份加入200份65℃的水中，搅拌均匀，冷却至室温后，加入水250份、聚丙烯酸钠1份、次氮基三乙酸0.2份、十八烷基二羟乙基氧化胺0.2份、
葡萄糖酸钠0.3份、2，4-二羟基二苯砜0.2份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸0.2份搅拌均匀，得到混合溶液，将混合溶液置于恒温槽中，选用探头式脉冲超声波仪器对混合液进行超声处理，得到碱性溶液；所述探头式脉冲超声波仪器的探头插入混合液下8m，混合液的液面高度保持14cm，脉冲时间为20s，占空比为70％，恒温槽中控制温度为25℃，声强为300W/cm2，超声频率35KHz，处理时间为90分钟；所述探头的直径为20mm；采用探头式脉冲超声波仪器对碱性溶液进行预处理，可以使碱性溶液各成分的混合更加的均匀，且可以消除制备碱性溶液过程中产生的
泡沫，使碱性溶液对熔石英光学元件的清洗效果更佳，并且清洗后碱性溶液的残留量更少，有利于后期辐照处理；
[0065] 其余参数和工艺过程与实施例4中的完全相同，制备得到平行微凹柱透镜阵列。
[0066] 实施例6：
[0067] 所述步骤一中，超声清洗的方式为：将熔石英光学样片加入碱性溶液中，并采用依次在60KHz、80KHz、120KHz、160KHz、180KHz、200KHz的超声频率下处理，每个频率处理时间为5min，然后将熔石英光学样片加入高纯水中，在120KHz的频率下，超声10min，烘干；在超声处理过程中，向清洗液溶液中通入氨气；所述氨气的通气速率为80mL/min；
[0068] 所述步骤六中，超声清洗采用将熔石英光学样片加入高纯水中，在120KHz的频率下，超声8min，并在在超声清洗过程中，向清新液中通入N2气体；所述N2气体的通气速率为120mL/min；氮气的通入可以增强对杂质的去除
力度，并且产生的气泡可以带走杂质颗粒物，使清洗效果更佳；
[0069] 其余参数和工艺过程与实施例2中的完全相同，制备得到正交微凹柱透镜阵列。
[0070] 实施例7：
[0071] 所述碱性溶液的制备方法为：按重量份，取氢氧化钠10份、氢氧化钾3份、尿素1份、EDTA四钠2份、烷基糖苷2份加入200份65℃的水中，搅拌均匀，冷却至室温后，加入水250份、聚丙烯酸钠1份、次氮基三乙酸0.2份、十八烷基二羟乙基氧化胺0.1份、葡萄糖酸钠0.3份、2，4-二羟基二苯砜0.2份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸0.2份搅拌均匀，得到混合溶液，将混合溶液置于恒温槽中，选用探头式脉冲超声波仪器对混合液进行超声处理，得到碱性溶液；所述探头式脉冲超声波仪器的探头插入混合液下5m，混合液的液面高度保持15cm，脉冲时间为20s，占空比60％，恒温槽中控制温度为25℃，声强为300W/cm2，超声频率35KHz，处理时间为90分钟；所述探头的直径为20mm。
[0072] 其余参数和工艺过程与实施例6中的完全相同，制备得到正交微凹柱透镜阵列。
[0073] 实施例8：
[0074] 所述步骤五中，湿法刻蚀的过程为：将辐照处理后的熔石英样片放入氢氟酸溶液中，并采用依次在0.8MHz、1MHz、1.2MHz、1.3MHz、1.5MHz的兆声场频率下进行刻蚀，每个兆声场频率刻蚀时间为8min；所述氢氟酸溶液的质量分数为2％；采用多频刻蚀，频率逐步提升，在低频作用下可以消除大颗粒污染物，在高频作用下可以消除小颗粒污染物，有效去除熔石英元件扫描辐照处理过程中引入的污染物，极大提高了熔石英元件的洁净度；
[0075] 其余参数和工艺过程与实施例3中的完全相同，制备得到螺旋微凹柱透镜阵列。
[0076] 实施例9：
[0077] 所述步骤五中，湿法刻蚀的过程为：将辐照处理后的熔石英样片放入氢氟酸溶液中，并采用依次在0.8MHz、1MHz、1.2MHz、1.3MHz、1.5MHz的兆声场频率下进行刻蚀，每个兆声场频率刻蚀时间为8min；所述氢氟酸溶液的质量分数为2.5％；
[0078] 其余参数和工艺过程与实施例6中的完全相同，制备得到正交微凹柱透镜阵列。
[0079] 实施例10：
[0080] 所述步骤五中，湿法刻蚀的过程为：将辐照处理后的熔石英样片放入氢氟酸溶液中，并采用依次在0.8MHz、1MHz、1.2MHz、1.3MHz、1.5MHz的兆声场频率下进行刻蚀，每个兆声场频率刻蚀时间为8min；所述氢氟酸溶液的质量分数为2.5％；
[0081] 其余参数和工艺过程与实施例7中的完全相同，制备得到正交微凹柱透镜阵列。
[0082] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的
修改，因此在不背离
权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
