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Materials 中国科学院宁波材料技术与工程研究所——飞秒激光诱导改性辅助湿法刻蚀焦距精确可控的石英微透镜阵列

已有 659 次阅读 2024-10-30 16:27 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者介绍

通讯作者介绍

王吉，中国科学院宁波材料技术与工工程研究所副研究员、硕士生导师。主要从事多维度光场调控、激光微纳/纳米加工、宽禁带半导体硬脆材料微结构制备的研究。发表SCI论文近20篇。申请国家专利20余项，授权16项。

第一作者介绍

程凯杰，中国科学院大学硕士研究生。主要从事飞秒激光微纳加工技术的研究。

文章导读

随着现代光电技术的不断发展，微光学系统 (MOS) 对器件的小型化和多功能性需求日益迫切。微透镜阵列 (MLAs) 作为关键组件，以其紧凑、多功能和便于集成的优势，被广泛应用于微光学系统中。熔融石英是一种典型的硬脆材料，具有优良的光学性能和稳定的物化特性，使其成为MLA的理想材料。然而，其高稳定性和硬脆性对实现高精度加工构成了挑战。借助飞秒激光技术可以在透明材料中实现精密加工，但面临表面粗糙度和尺寸可控性的挑战。本文结合飞秒激光和湿法刻蚀，创新地提出自下而上的诱导改性方法。此方法有效提高了微透镜形貌刻蚀尺精度，实现了数值孔径不变焦距可调的石英微透镜阵列，突显了这种方法在制备特殊MOS中的潜在应用。

研究过程与结果

本研究设计了一种基于飞秒激光穿透式诱导改性的湿法刻蚀技术 (Femtosecond Laser Penetration-Induced Modification Assisted Wet Etching，FLPIM-EL)，技术原理与制备流程如图1所示。首先，飞秒激光对熔融石英样品进行自下而上作用，在材料背面单点曝光诱导改性，形成前置诱导改性层。后续的激光脉冲继续穿透材料，形成一个新的改性区域层。在传统的自上而下的表面处理方法中，后续的激光脉冲不可避免地需要穿过前置改性层和改性孔，才能在材料内部形成后续改性层。显然，这种改进的穿透式方法可有效避免前置改性层对后续脉冲 (包括光吸收和散射) 的非线性影响，从而提高了改性效果的可控性。随后将激光改性后的样品置于氢氟酸溶液中进行湿法刻蚀，去除其表面粗糙结构，从而实现尺寸精确可控的高表面质量微透镜阵列。

图1. FLPIM-EL方法。(a) 三步法制备过程、(b) 穿透式改性机理。

本文首先研究了不同激光参数 (单脉冲能量和脉冲数) 对微透镜尺寸的影响 (图2)。实验结果表明，初期形成的微透镜呈现椭圆形。在相同激光能量条件下，随着激光脉冲数量的增加，微透镜的刻蚀深度显著增加。然而，刻蚀深度并不会随着能量的增大而无限制地增长。当脉冲数为100时，脉冲能量从1.89 μJ提高2.5倍至4.76 μJ，此时深度未发生显著提升 (仅从6.0 μm提升至6.8 μm)。对于横向刻蚀，当脉冲数超过40，刻蚀尺寸几乎不再变化。即使激光脉冲不断作用在熔融石英凹坑，却对上表面材料只存在改性，不再产生材料去除作用。

图2. 激光参数对微透镜尺寸的影响。(a) 深度、(b) 长轴、(c) 短轴、(d) 深径比-短轴。

其次，如图3所示，作者研究了湿法刻蚀时间 (0—150分钟) 的影响规律。早期刻蚀阶段，透镜内表面粗糙且布有条纹结构；随着时间推移，条纹消失，表面光滑，轮廓趋向于完美的圆形轮廓。HF溶液的刻蚀速率在激光改性区域显著高于未改性区域：宽度方向上刻蚀速率远高于深度方向；60分钟之后，刻蚀的深度基本达到最大值；120分钟后，飞秒激光改性加工区域逐渐减小，后续轮廓宽度的刻蚀速率趋于平缓；最终150分钟完成完全刻蚀。随着脉冲数的增加，完全刻蚀后的微孔深度分别为2.3 μm、4.05 μm、6.05 μm、8.06 μm和9.84 μm。基于激光参数组合，通过合适的工艺参数优化可以实现对微透镜几何形貌的有效控制。

图3. HF刻蚀时间对微透镜形貌变化。(a) 0 min、(b) 60 min、(c) 120 min、(d) 150 min、(e) 微透镜轮廓曲线、(f) 微透镜轮廓曲线。

如图4所示，本文成功制备出数值孔径不变但焦距不同的微透镜阵列。焦距分别为-43.303 μm和-48.223 μm，且两者的数值孔径 (NA) 均为0.458。两种阵列的微透镜几何尺寸均表现出良好的一致性。在单脉冲能量1.39 μJ、脉冲数为60的条件下制备的微透镜直径约为39.7 μm，深度约为19.5 μm，表面粗糙度约为30 nm。在单脉冲能量1.89 μJ、脉冲数为80的条件下，微透镜的直径约为44.2 μm，深度约为22.8 μm，表面粗糙度约为50 nm。

图4. 本文制备的微透镜阵列。(a) 微透镜阵列1：-43.303 μm；(b) 微透镜阵列2：-48.223 μm；(c) 两种微透镜阵列的轮廓；(d) 阵列1中单个微透镜的3d形貌；(e) 阵列2中单个微透镜的3d形貌。

最终本文评估了微透镜阵列的成像性能 (图5)。总体来看，两者均展示了清晰的成像能力，每个微透镜在相同阵列中表现出几乎一致的成像性能，这间接表明阵列结构具有优异的均匀性。通过将字母掩模上移以调整掩模与微透镜阵列之间的相对距离，可以进一步放大字母“N”的成像效果，两种微透镜阵列的成像倍率分别至少可达3倍和1.3倍，并同时保持清晰的成像质量。