（光学专业论文）准分子激光光阑法加工微透镜的工艺研究.pdf

摘要 微透镜是微光学系统中最为重要的光学元件之一。在微光学系统中，用有机 微透镜代替传统微透镜，能够起到改善并优化微光学系统性能的作用，这些微光 学系统性能包括：微光学系统尺寸、微光学系统质量、微光学系统成本等。在本 论文中，对自主设计的一种新的有机微透镜加工方法，即准分子激光光阑法，进 行了微透镜加工工艺研究，取得了较好的结果，所加工出的微透镜尺_ j - 为巾8 0 u 护 由1 2 0 唧、f 数为o 8 - 6 3 。由于准分子激光光束质量较低，冈此在准分子激光光 路中引入了一组扩束准直透镜、两组复眼透镜阵列和a ：聚透镜作为准分子激光均 束器，对准分子激光进行均束处理。准分予激光在经过了准分子激光均束器后变 换为一能量分布均匀的光斑。并且，通过对投影光刻系统( 包括掩模和缩小投影 物镜) 和光阑的设计实现了使用准分子激光光阑法加工微透镜。在使用准分子激 光光阑法加工微透镜的过程中，通过改变掩模和光阑的形状尺寸，能够控制微透 镜的形状尺寸；通过改变准分子激光加工脉冲个数和准分子激光抛光脉冲个数， 能够控制微透镜的表面形貌。使用准分子激光光阑法加工微透镜能够大大地降低 微透镜的加工成本并提高微透镜的加工效率。 关键词微透镜；准分子激光：光阑：表面粗糙度；均束器 a b s t r a c t am i c r o l e n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t s i n o p t i c a l m i c r o s y s t e m s a n dap o l y m e r i cm i c r o l e n sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n r e d u c i n gt h es i z e ，t h e 氍i g h t ，a n dt h ec o s to fo p t i c a lm i c r o s y s t e m s i n t h i sp a p e r ，w ed e s i g nan e wm e t h o dt of a b r i c a t ep o l y m e r i cr e f r a c t i v e m i c r o l e n su s i n ga ne x c i m e r1 a s e ra n dad i a p h r a g m ：a n du s i n gt h i sm e t h o d w ec a no b t a i n 巾8 0 u 旷由1 0 0 u m f o 8 一f 6 3m i c r o l e n s d u et ot h el o wb e 锄 q u a l i t yo ft h ee x c i m e rl a s e r ，ag a l i l e it e l e s c o p e ， t w ol e n sa r r a y sa n d ac o l l e c t i o nl e n si su s e dt oh 伽o g e n i z et h eb e a mo fe x c i m e rl a s e r u s i n g t h eh o m o g e n i z e r ，au n i f o mp l a n eo ft h eo u t p u ti so b t a i n e d a n da p r o j e c t i o ns y s t e m( i n c l u d i n gam a s ka n dap r o j e c t i v e1 e n s )w i t ha d i a p h r a g mi sd e s i g n e df o rp r o c e s s i n gp o l y m e r i cr e f r a c t i v em i c r o l e n s t h r o u g hc h a n g i n gt h es h a p ea n ds i z eo ft h em a s ka n dd i a p h r a g m ，t h es h a p e a n ds i z eo fp o l y m e r i cr e f r a c t i v em i c r o l e n sa r ec o n t r 0 1 1 e d ，r e s p e c t i v e l y ； a n dt h r o u g hc h a n g i n gt h en u m b e ro fe x c i m e rl a s e rp u l s e ， t h es u r f a c e p r o f 订eo ft h ep 0 1y i e r i cr e f r a c t i v em i c r o l e n si sc o n t r o l l e d u s i n gt h i s m e t h o dc a nm a k ef a b r i c a t i n gp o l y m e r i cm i c r o l e n sm u c he a s i l yt h a no t h e r m e t h o d k e y - o r d sm i c r o l e n s ；e x c i m e rl a s e r ：d i a p h r a g m ：i b u g h n e s s ：h o m o g e n i z e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不含有 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为了获得北京工业大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 2 c 加7 、r f 口 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印、或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名兰查璺导师签名日期：型， 1 1 微细加工技术“2 第1 章绪论 随着微纳米科学与技术( m i c r o n a n os c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 的发展， 以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和 改造客观世界的一种高新技术。”微机械并非指普通机械的小型化、微型化，而 是微米量级的设计和制造。微机械和普通机械有了很大的不同，尺度效应是舡m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统) 中许多物理现象不同于宏 观现象的一个非常重要的原因，其主要特征“是： ( 1 ) 微构件材料的物理特性的变化； ( 2 ) 在传统理论中常常被忽略了的表面力将起主导作用； ( 3 ) 某些微观尺度短程力所具有的长程作用效应及其所引起的表面效应将 在微构件尺度起重要作用； ( 4 ) 微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械 尺度的制约。 此外，随着尺寸的减小，表面积( l 2 ) 与体积( l 3 ) 之比相对增大，因而热 传导、化学反应等的速度将加快。 微机械对加工系统有其特殊的要求： ( 1 ) 分辨率要求，由于微机械的尺寸在毫米或者微米量级，加工精度则需 要达到微米或者亚微米量级，因此加工系统要有较高的分辨率； ( 2 ) 智能化要求，要求整个加工系统有较高自动化程度，由于微米亚微米 量级的结构人眼无法直接观察，因此需要一套自动化的观察及定位系统： ( 3 ) 稳定型要求，一个微小的震动都会对加工系统有很大影响，因此需要 稳定的工作环境； ( 4 ) 工业化要求，单个微结构的加工费用较高，因此加工方法要能够实现 批量生产，降低成本，满足工业化生产的要求。 微细加工的方法很多，从最终的加工结果来看，可以分为三类”1 ： ( 1 ) 分离( 切削) 加工将材料的某一部分分离出来，例如各种曝光， 抛光、刻蚀、离子溅射等方法； 北泵t 业大宁理学帧十宁位论文 ( 2 ) 结合( 附加) 加工种材料与另一种材料( 或同种) 的附加加工 或相互结合加工，例如薄膜沉积、氧化、外延、离子注入等； ( 3 ) 变形( 流动) 加工材料形状发生变化的加工，如热迁移、高频电 流的热流动加工、电磁成型等方法。 在这些方法中，应用最广泛，最具代表性的是l i g a 工艺、特种加工工艺、 键合工艺、硅微细加工技术、光刻技术”等。 1 2 激光微细加工技术盯 1 2 1 激光刻蚀技术 激光刻蚀技术是将激光束( 聚焦或非聚焦) 以一定的方式辐照至材料表面， 利用激光和材料相互作用的商接断键汽化的机理( 烧蚀，a b l a t i o n ) ，对作用区 域的材料进行逐层剥蚀的加工。这种刻蚀不需要任何液相腐蚀剂，实际上是一种 光物理作用。激光刻蚀技术需要掩模来确定刻蚀的图案，因此掩模的制作非常重 要。制作掩模的材质，在激光的工作波长范围内必须是透明的。根据加工结构的 需要，掩模被有选择的覆盖并制成一定的图案。对于加工材料的选择也是激光刻 蚀过程中的一项重要内容，一般选择阈值低、易被刻蚀的材料。在加工过程中激 光光束通过均束系统后照射到掩模上，再通过透镜系统后( 这样可使加工范围不 局限于光束的尺寸) 照射到所要加工的材料上，用来获得所需的结构。 1 2 2 激光直接写入技术 激光直接写入技术是一项新发展起来的激光加工工艺，它将激光技术、 c a d c a m 技术、材料科学和微细加工技术有机的结合起来，既可以在光刻胶上直 接刻出三维结构，也可以用于加工掩模。激光直接写入技术具有系统性能稳定、 造价便宜、结构简单、使用方便等特点，这使其受到广泛关注。近年来，激光直 接写入技术的发展使得激光微加工技术成为微制造、预成型、快速模型设计等领 域中有用而灵活的工具，并已被用于制造三维微结构，这是传统工艺所不能实现 的。此外这项技术还可用于微结构加工中的后期处理等方面。在加工过程中激光 直接照射到硅等所要加工的材料上，通过微机控制工作台和光刻头在一定的平面 2 上的移动和扫描来制成所需的结构。 1 2 3 激光微成型技术 以上两种加工技术都是通过去除材料得到微型结构的手段。除此之外。激光 金属沉积技术可以通过激光辐照将气相、液相或固相先驱物( 金属有机化合物) 中的金属还原为零价元素，使其沉积到基体材料表面从而形成特定的图形。另外， 还可用激光烧结法制造多种材料的三维微结构。选择性激光烧结金属粉末制作微 型部件的原理是，通过在基体上铺一+ 薄层金属粉，片j 聚焦激光束按照零件的分层 轮廓对金属粉末进行有选择的烧结，一层一层全部烧结完后，去掉松装粉末即得 到所需的微结构4 1 。这些技术克服了目前所采用的技术中存在的加工材料单一， 成本高，制造复杂三维微结构困难等弱点。 1 3 准分子激光微细加工技术汨 1 3 1 准分子激光 准分子是由化学活性最稳定的惰性元素a r 、k r 、x e 和化学性质最活泼的元 素f 、c l 、b r 的两个同核或异核原子在激发态的复合物。与通常的分子不同，准 分子是束缚在电子激发态下的分子，它没有稳定的基态，即准分子是一种只在激 发态才能暂时存在的不稳定分子，在基态情况下它会迅速离解成其它分子团，因 此准分子的寿命很短，它的上能级寿命只有1 矿s ，而激光跃迁的下能级为弱束 缚态，寿命也很短，一般在l o - ”s 量级，由于准分子在基态时，迅速离解成独立 的原子，基态基本上是抽空的，因此只要有准分子存在，就会形成极高的粒子数 反转，所以准分子激光器的增益很高。由于准分子激光放电泵浦方式极容易 导致孤光放电，所以准分子激光工作方式主要为脉冲方式。 除了少数准分子激光器外，准分子激光都位于紫外波段。虽然它的光束质量 不好，并且平均功率也不是太高，但是准分子激光的波长极短，聚焦光斑直径能 达到微米量级。由于准分子激光光子能量高，聚焦光斑小，因此聚焦后光斑的功 率密度可达1 0 。1 0 1 “吖c m 2 。并且由于准分子激光光子能量较大，和许多材料尤 其是无机物的化学键能相比，它的光子能量要大于材料之间的化学键能，所以在 3 准分子激光和材料相互作用时，准分子激光有时甚至能够直接打断材料的部分化 学键而实现冷加工，在微加工领域得到了广泛的应用。 1 3 2 准分子激光微细加工的特点 准分子激光微加工有单光子能量高、峰值功率高、材料吸收率高、分辨率高 等优点。 ( 1 ) 单光子能量高 由光子能量公式( 如式卜l 所示) 可以得出短波长的紫外激光具有更高的光 子能量。k r f 准分子激光对应的波长为2 4 8 n m ，光子能量可达5 1 e v 。因为微细 加工的精度要求高，而在加工过程中若热作用比较大，则加工丽上的质量会变差， 所以在加工的过程中应尽可能减少热效应。5 1 e v 已经大于许多材料的化学键能， 所以在准分子激光和材料相互作用时，它能够直接和材料的化学键进行作用，直 接打断材料的一部分化学键，加工方式偏向于冷加工，这对于提高微加工的精度 是十分有利的。 e ： y ：三 式1 1 式中e 光子能量 普朗克常数 v 光频率 c 光速 五光波长 ( 2 ) 峰值功率高 准分子激光单脉冲能量一般在几个电子伏以内，但是准分子激光器一般工作 在脉冲方式下，它的脉宽一般只有几十个纳秒，远远小于一般的激光器，短的激 光脉宽可以大大提高激光的功率密度。虽然现在的准分子激光器的平均运行功率 都不高，但由于它较短的脉宽和较高的聚焦效率，所以它的功率密度可以达到 l0 b 1 0 唧c m 2 ，也提高了准分子激光的加工效率和质量。 ( 3 ) 吸收率高 根据光与物质相互作用的特点，光的吸收系数随着光波长的减小而逐渐增 加，例如大部分材料对2 4 8 皿光源的吸收率都比较高。较高的吸收系数可以将光 第l 章绪论 能更高效地转化为材料的内能从而更有助于材料的刻蚀同时减少吸收光能而在 材料中导致的热吸收，提高微加工的效率。 ( 4 ) 分辨率高 光学系统所能达到的最高分辨率由式卜2 给出。大的数值孔径可以增加光学 系统的最高分辨率，但数值孔径的增大有一定的限制，且随着数值孔径的增大， 系统的焦深急剧下降。提高光学系统的分辨率的另一种方法就是减小成像光束的 波长。由于准分子激光的波长位于紫外波段，所以对于相同的光学系统来说，它 所能成像的最高分辨率要远高于可见光束及红外光束。紫外光学设计的发展使得 微加工产品的精度都需控制在微米或者微米之内，因此准分子激光成为了微加 工的一个有力工具”。 2 东 式1 2 式中阡光学系统所能达到的最高分辨率 五光波长 w 数值孔径 1 3 3 准分子激光微细加工的两种方式 准分子激光微加工的方式有激光投影光刻和激光直写光刻两种。 ( 1 ) 激光投影光刻 激光投影光刻的步骤是，将激光光束经均束系统的均匀化后，照射在掩模板 上，掩模图案通过光刻投影镜头成像在装有加工零件的加工平台上，通过光子直 接打断分子键消溶被加工材料，将掩模图案转移至被加工材料表面及纵深方向， 从而完成材料的深层加工“”。它一般由准分子激光器、均束系统、同轴观察系 统、掩模、光刻投影镜头和加工平台组成。这种方法为并行加工方式，一次成形， 加工的材料面宽，效率高且成本较低。其中加工精度由投影系统成像分辨率的决 定，易于保证。 ( 2 ) 激光直写光刻 激光直写光刻的步骤是，将激光束通过透镜聚集成尽可能小的强度均匀的光 点，聚焦在加工件表面上，由计算机系统控制精密工作台在x - y 平面内进行光束 扫描运动，而在z 方向上控制进给以及控制不同位置的激光通断状态来实现三维 北京1 二业= 学卵学硕i 。学位论文 深层刻蚀1 。这种方法容易与计算机数控技术相结合，能制作出较为复杂的三 维立体微结构。光刻直写技术与投影光刻法主要区别是它不需要特殊的掩模板， 这样也就省去了掩模板制作过程，使加工过程更加灵活。另外它需要聚焦透镜缩 小光点，需要精密的数控系统和工作台，而投影光刻法则需要成像透镜。 1 3 4 准分子激光微细加工系统 准分子激光微加工系统主要由以下几部分组成：准分子激光器、光束变换组 件( 包括准分子激光扩束准直透镜组、准分子激光复眼透镜组、准分子激光汇聚 透镜) 、激光投影或直写组件、加工平台“。在实际应用中为了加工的方便， 还需要一些辅助的设备：准直激光器、同轴观察系统。通常所用的准分子激光微 加工系统的各部分组件及其关系如图卜1 所示。 图卜1 准分子激光微细加工系统 f i g 1 一l0 p t i c a ls y s t e mo fe x c i m e rl a s e rf o rp r o c e s s i n g 1 4 微透镜加工工艺研究现状 1 4 1 微透镜 随着微机械、m e m s 、微细加工等技术的快速发展以及光、机、电一体化发展 趋势的不断明朗，逐渐出现了以微光学元件为核心、以微机电系统为依托的微光 机电系统。具有代表性的微光学元件包括：微透镜、微反射镜、微棱镜、微角锥 棱镜、微光学传感器等。其中，微透镜是最重要的微光学元件之一，其几乎被用 第1 章绪论 于所有的微光学系统。 目前，对微透镜的定义性描述很多，但还没有形成统一的定义。通常所说的 微透镜一般指尺寸微小的光学透镜，其孔径范围一般为5 0 姗一5 哪。根据微透镜 工作原理和使用情况的不同，通常把微透镜分为四类： ( 1 ) 自聚焦微透镜( s 虬，s e l f - f o c u s i n gm i c r o1 e n s ) 是通过改变基底材 料折射率分布情况而制造的微透镜，其两个表面通常均为平面； ( 2 ) 光纤微透镜( f i b e rm i c r o1 e n s ) 是指制造在光纤端面上的微透镜； ( 3 ) 衍射型微透镜( d i f f r a c t i v em i c r o1 e n s ) 是指根据菲涅耳衍射原理 制造的微透镜； ( 4 ) 折射型微透镜( r e f r a c t i v em i c r ol e n s ) 是指根据折射原理制造的微 透镜。 由于微透镜相对传统光学透镜具有小型化的特点，使得微透镜可以在许多领 域中替代传统光学透镜，尤其是那砦由于条件要求传统光学透镜无法胜任的领 域： ( 1 ) 光机电一体化领域：光、机，电元件集成、m e m s 等，如图卜2 所示“”； ( 2 ) 光电子学领域：光纤连接器、光纤准直器、光开关、光学信息存储等， 如图卜3 所示“”； ( 3 ) 光传感领域：各种传感器、探测器的输入端口、输出端口和连接器等， 如图1 - 4 所示“”： ( 4 ) 微制造领域：利用微透镜进行二次微制造等，如图卜5 所示； ( 5 ) 北京t 业人学理学硕f 二学位论文 成像的 射红外光 ，型! 【! i ! i ! 必燮必必盐必! 臻竺阵门，。、h ，1 ，、卜，_ 厂- 1 - 、卜lr 厂- 、 ：一 硅透镜列席与匹配的探稠黯州辟墓成的截面田 图1 2 微透镜的应用：光电耦合 f ig 卜2a p p l i c a t i o no fm i c r 0 1 e n si np h o t o e l e c t r i cc 叫p l i n g 遗 么 、光纤 l 准直光业 叠 厂 准直嚣工作原曩示意图 图卜3 微透镜的应用：光纤耦合 f i g 1 - 3a p p l i c a t i o no fm i c r o l e n si nf i b e rc o u p l i n g 喜一唏 哪r b k 缸如删d 帅 母k 口f 幽0h 舶m - s h x k 篇融。蝣靼州 图i - 4 微透镜的应用：波前传感器 f i g i 4a p p l i c a t i o no f i c r o l e n si n _ a v e f r o n ts e n s o r 8 b 洲i c 孵h 咖e 。t 甲t k “瓣t u p ，m l a ：m 埘d sd f r n ml l ：h 摊【舢：d l d 岫cm l m ) f o l o b 筘c l l k n sa 捧l h ep i 龃e 珥1 w m u l l j p k f o c u s 一甜。g e r 甜龇e d - 图卜5 微透镜的应用：微加工与微制造 f i g 卜5a p p l i c a t i o no fm i c r o l e n si nm i c r op r o c e s s i n g 目前，微透镜具有如下发展趋势： ( 1 ) 轻型化 发展趋势的形成原因：降低成本的需要( 传统光学玻璃价格比较昂贵，有机 光学玻璃价格比较便宜) ；传统光学玻璃密度比较大，有机光学玻璃密度比较小。 发展趋势的主要体现：越来越多地使用有机光学玻璃( p 蛳a 、p s ) 替代传统 光学玻璃做为基底材料制造微透镜。 发展趋势的不利因素：有机光学玻璃种类比较少，传统光学玻璃种类比较多。 ( 2 ) 立体化 发展趋势的形成原因：集成光学的需要；装配条件的需要。 发展趋势的主要体现：逐渐出现了几种改进后的微透镜制造技术。 发展趋势的不利因素：实现困难。 ( 3 ) 可控非球面化 发展趋势的形成原因：成像质量要求的提高；耦合质量要求的提高。 发展趋势的主要体现：各种微透镜制造技术均向可控非球面化方向发展。 发展趋势的不利因素：实现困难。 ( 4 ) 制造过程简单化 发展趋势的形成原因：降低成本的需要。 发展趋势的主要体现：各种微透镜制造技术不断改善，制造过程不断简化。 ( 5 ) 与集成电路制造技术结合 发展趋势的形成原因：光机电一体化的需要；降低成本的需要；大规模集成 的需要。 北京t 业大学珲学硕 ：学位论文 发展趋势的主要体现：越来越多地使用硅( s i ) 替代传统光学玻璃做为基底 材料制造微透镜；逐渐出现了几种改进后的微透镜制造技术及相关技术。 发展趋势的不利因素：实现困难。 1 4 2 模具法加工微透镜 模具法是从传统光学透镜制造技术基础上发展起来的，是指利用模具制造微 透镜的方法，通常可以分为两类，分别为压模法和塑模法。 压模法是指利用印有微透镜图形的模具对熔态基底进行挤压，从而在基底上 印出微透镜图形的方法。压模法多用于制造衍射型微透镜。如图1 _ 6 所示”) 。 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造速度快 ( 3 ) 大批量制造成本低 缺点为： ( 1 ) 模具价格昂贵 ( 2 ) 小批量制造成本高 ( 3 ) 微透镜主要参数与机械加工极限有关( 孔径范围一般大于l 舳) 塑模法是指利用印有微透镜图形的模具直接铸造微透镜的方法。塑模法多用 于制造折射型微透镜。如图卜7 所示。 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造速度快 ( 3 ) 大批量制造成本低 缺点为： ( 1 ) 模具价格昂贵 ( 2 ) 小批量制造成本高 ( 3 ) 微透镜主要参数与机械加工极限有关( 孔径范围一般大于l 咖) 第l 节绪论 m i c r o c o m p r e s s i o nm o i n gs y s t e m 图l - 6 压模法加工微透镜 f ig 卜6m i c r 0 1 e n sb ym i c r o c o m p r e s s i o n 期o l d i n g m o l db a s ea n dm o l di n s e f lu s e di i im ei n j e c t i o nm o l d i n g e x p e f i m e n 图卜7 塑模法加工微透镜 f i g 1 - 7m i c r 0 1 e n sb ym i c r o i n j e c t i o n l d i n g 北京t 业大学坪学硕_ f | 学位论文 1 4 3 研磨法加工微透镜 研磨法是指利用利用研磨机或研磨工具对基底进行研磨，从而制造微透镜的 方法。研磨法多用于制造光纤微透镜。 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造成奉低 缺点为： ( 1 ) 多为手工操作 ( 2 ) 制造速度慢 ( 3 ) 微透镜主要参数与机械加工极限有关 1 4 4 光刻法加工微透镜 光刻法是从光刻技术基础上发展起来的，是指利用光刻胶热成型方法制造微 透镜的方法，通常可以分为三类，分别为光刻胶热熔成型法、阶梯光刻胶热熔成 型法、光刻胶离子束刻蚀法。 光刻胶热熔成型法是指利用光刻技术将光刻胶划分为独立的微型单元，然后 进行热熔处理，利用熔态光刻胶的表面张力制造微透镜的方法。光刻胶热熔成型 法多用于制造折射型微透镜。如图l _ 8 所示“ 优点为：小批量制造成本较低 缺点为： ( 1 ) 制造过程复杂 ( 2 ) 阵列化存在问题 ( 3 ) 制造出的微透镜为非球面微透镜 阶梯光刻胶热熔成型法是对光刻胶热熔成型法的一种改进方法( 拓展了光刻 胶热熔成型法制造的微透镜的数值孔径范围) 。阶梯光刻胶热熔成型法多用于制 造折射型微透镜。如图l - 9 所示”。 优点为：小批量制造成本较低 缺点为： ( 1 ) 制造过程复杂。 ( 2 ) 阵列化存在问题 ( 3 ) 制造出的微透镜为非球面微透镜 光刻胶离子束刻蚀法是对光刻胶热熔成型法的另一种改进方法( 将微透镜图 形迁移到传统光学玻璃上) 。光刻胶离子束刻蚀法多用于制造折射型微透镜。如 图卜1 0 所示”。 优点为：小批量制造成本较低 缺点为： ( 1 ) 制造过程复杂 ( 2 ) 阵列化存在问题 ( 3 ) 制造h 的微透镜为非球面微透镜 _ _ 一一 f a br t a f i o n5 e q u e n c co ft h c 他f 住c t 打em cr 0 1 e n s 图1 - 8 光刻胶热熔成型法加工微透镜 f i g 卜8m i c r o l e n sb yh e a t f o 埘i n gp h o t o r e s i s t u v i i g t l t l o l i e s j s l t h es c h a na t 证曲g r 锄o fs t 印h e a t - 南n n 缸gp h o l o r e s i s t m e t h o d 图1 9 阶梯光刻胶热熔成型法加工微透镜 f i g 1 - 9 毗c r 0 1 e n sb ys t e ph e a t f o r m i n gp h o t o r e s i s t 1 4 m= i_ 1 尽量 睦冀越冀蒌燮毯翻 嗣翻丽嘲瞩翮翮 匿塑登鲞瞳幽i - _ _ - - - _ - - d _ _ ；- _ ；- _ _ _ 罡婴 藤黧翰 隧曩篷筮霾瑟糊 愿磐黧 隧o 2 ：o i ：蓝：；滋：叠j 厂li ； ll 西癸峰翟嗡 l = - ：；：。：- _ i 糊眺羹一嗣臻目豳 石羹f _ 。】 簟片长方形拱孬熔融石英教逢镜阵列 的巍期，童膏予柬刻蚀f 卿备 图卜1 0 光刻胶离子束刻蚀法加工微透镜 f i g 卜l om c r 0 1 e n sb yh e a t f o 埘i n gp h o t o r e s i s ta l l di o n i ce t c h i n g 1 4 5 掩模法加工微透镜 掩模法是是指利用掩模技术制造微透镜的方法，通常可以分为三类，分别为 二元掩模法、灰阶掩模法、灰度掩模法。 二元掩模法是指通过使用二元掩模制造微透镜的方法。在利用二元掩模制造 微透镜的过程中，可以根据二元掩模的使用方式，将二元掩模法分为静态方式和 北京t 业大学开学硕f j 学位论文 动态方式两种。 静态二元掩模法是利用光刻胶热熔成型法制造微透镜过程的一部分。 动态二元掩模法是指利用投影光刻技术，通过掩模相对基底材料的相对运 动，在基底材料上形成不同的刻蚀强度，从而制造微透镜的方法。动态二元掩模 法可用于制造折射型微透镜。 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造速度快 ( 3 ) 制造成本低 缺点为：制造出的微透镜为非球面微透镜 灰阶掩模法是对利用静态二元掩模法制造微透镜的一种改进方法，是指在投 影光刻过程中，通过掩模变换，在光刻胶上形成不同强度的刻蚀阶梯，然后进行 热熔处理，从而制造微透镜的方法。灰阶掩模法多用于制造折射型微透镜和衍射 型微透镜。如图卜1 1 所示“。 优点为：微透镜表面形貌控制容易 缺点为： ( 1 ) 制造过程复杂 ( 2 ) 制造出的微透镜为非球面微透镜 ( 3 ) 掩模成本高 灰度掩模法是指对利用灰阶掩模法制造微透镜的一种改进方法，是指在投影 光刻过程中，利用灰度掩模制造微透镜的方法。灰度掩模法多用于制造衍射型微 透镜。如图卜1 2 所示。 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造速度快 缺点为：掩模成本高 图卜l l 灰阶掩模法加工微透镜 f i g 卜1 lm i c r o l e n sb yg r a y s t e pm a s k i n p 越i 噜h i i b tj 叫h i i t y d i | i b u “i 口n s h t c hm 。po ft kf | b r i c a t i 伽。f 佗f t t i w m i c r d t _ _ w i t h d i d 暑g 但y t o 北m 盐k 图卜1 2 灰度掩模法加工微透镜 f i g 卜1 2m i c r o l e n sb yg r 8 y t o n e 肌s k 1 4 6l c v d 法加工微透镜 l c v d 法是利用激光化学汽相沉积( l c v d ) 技术，形成微区内的沉积，从而 1 7 必渺 匝u 嫂 u 呱虬 北京t 业人学理学硕f ：学位论文 制造微透镜的方法。可用于制造折射型微透镜。如图卜1 3 所示。1 。 优点为：制造过程简单 缺点为： ( 1 ) 制造过程控制用难 ( 2 ) 阵列化存在问题 ( 3 ) 制造出的微透镜为非球面微透镜 度瘦童真空计 “= 、，d 淀积徽透谴实验装置原理田 图卜1 3l c l ，d 法加工微透镜 f i g 卜1 3 砒c r o l e n sb yl c v d 1 4 7 喷墨法加工微透镜 喷墨法是指利用超高分辨率喷墨打印机和特种喷墨材料，在基底上逐层“打 印”出微透镜图形的方法。可用于制造折射型微透镜和衍射型微透镜。如图卜1 4 所示1 。 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造成本低 ( 3 ) 微透镜表面形貌控制容易 缺点为：制造速度慢 图卜1 4 喷墨法加工微透镜 f i g 卜1 4 砒c r o l e n sb yi j l l 【一j e tp r i n t i n g 1 4 8 准分子激光加工微透镜 目前，准分子激光加工微透镜的方法主要是准分子激光与动态二元掩模法相 结合，通常分为初次扫描和二次扫描两步，有时为了改善加工出的微透镜表面面 型加入第三步三次扫描，多用于加工有机光学材料p m 姒和p s 等。准分子激 光与动态二元掩模法相结合加工微透镜主要有以下特点： 优点为： ( 1 ) 制造过程简单 ( 2 ) 制造速度快 ( 3 ) 制造成本低 缺点为：制造出的微透镜为非球面微透镜 1 5 研究内容和目标 由于准分子激光加工微透镜不使用模具，也不使用复杂的掩模，因此其加工 成本远低于模具法和掩模法；又由于准分子激光加工微透镜是直接通过控制激光 和控制运动的方法加工微透镜，因此其加工简易程度远高于光刻法、l c v d 法、 喷墨法，其加工速度远高于研磨法、光刻法、l c v d 法、喷墨法，其加工可控度 北京t 业大学理学硕f 学位论文 远高于研磨法、l c v d 法；又由于有机光学材料中的p 雌和p s 的光学性能优异， 其光学透过率在某些波段甚至超过了传统的硅系玻璃，且成型容易、质量轻，因 此分别具有有机玻璃中的“冕牌玻璃”和“火石玻璃”之称。基于以上原因，准 分子激光加工微透镜已被广泛关注，并有取代其他加工微透镜方法的趋势，但由 于准分子激光加工微透镜的基底材料为有机光学材料，其液化温度较低( 6 5 一9 0 ) ，因此准分子激光加工微透镜仅广泛用于低功率光学系统。 使用准分子激光与动态二元掩模法相结合加工出的微透镜表面在理论上为 双柱面，但是二次扫描往往会影响初次扫描的结果，三次扫描往往会影响初次扫 描和二次扫描的结果，造成加工出的微透镜表面为非常规意义上的非球面，使得 有效微透镜表面积减小，并且这一缺点在实际加工中无法克服。本论文为解决这 一问题，进行了一系列的研究与尝试，最终摸索出一种改进了的准分子激光加工 微透镜的方法。 本论文的研究内容主要是：首先，遥过分析当前实验室所具有的准分子激光 微加工系统，对准分子激光加工微透镜进行方法设计，并利用z e m a x 软件进行理 论模拟；其次，通过搭建准分子激光加工微透镜系统，实际利用准分子激光加工 微透镜；再次，通过对准分子激光加工微透镜实验结果的分析，改进准分子激光 加工微透镜的方法；最后，通过多次准分子激光加工微透镜实验，总结准分子激 光加工微透镜系统调试方法，确定准分子激光加工微透镜工艺参数。 本论文的研究目标主要是：通过对准分子激光微加工系统的分析，对准分子 激光加工微透镜系统的设计、搭建，调试、实验、改进、调整等，最终摸索出一 种改进的并可行的准分子激光加工微透镜的方法。 1 6 论文结构 本论文按照课题研究过程分为如下三个部分： ( 1 ) 绪论： ( 2 ) 准分子激光光阑法加工微透镜的工艺研究； ( 3 ) 准分子激光光阑法加工微透镜的工艺改进研究。 第2 章准分子激光光阑法加工微透镜的工艺研究 2 1 准分子激光光阑法加工微透镜系统的整体结构及工作原理 2 1 1 现有准分子激光微细加工系统” 本实验室所用的准分子激光微加工系统主要由以下几部分组成：准直激光 器、准分子激光器、光束变换组件( 包括准分子激光扩束准直透镜组、准分子激 光复眼透镜组、准分子激光汇聚透镜) 、场镜、掩模、反射镜、缩小投影物镜、 加工平台、同轴观察系统，如图2 1 所示。 反射镜 图2 1 自主研制的准分子激光微细加工系统 f i g 2 一l o i l ro p t i c a ls y s t e mo fe x c i m e r1 a s e r f o rp r o c e s s i n g 准直激光器主要起到辅助调试准分子激光微细加工系统和指示准分子激光 微细加工位置( 需要通过同轴观察系统观察) 的作用，因此准直激光器必须选用 可见光波段的激光器，通常为h e _ n e 激光器，但随着激光技术的不断发展和激光 器的推陈出新，也可使用光束质量较好的半导体激光器。在自主研制的准分子激 光微细加工系统中，选用的准直激光器为h e n e 激光器，其位于准分子激光器尾 部的一个可调整支架上，可以实现x 、y 两个轴向上的平移调整和x 、y 两个轴向 上的旋转调整。 准分子激光器需要根据准分子激光微细加工系统的主要应用领域选择( 主要 考虑被加工的材料性质) ，最为常用的是工作气体为i ( r f ，波长为2 4 8 硼的准分 子激光器。在自主研制的准分子激光微细加工系统中，选用的是德国l 锄b d a p h y s i kl p x 3 0 5 i f 型准分子激光器，其主要参数如表2 1 所示。通过热释电探测 器测得的在准分子激光水平( x 方向) 和垂寅( y 方向) 中心线上的准分子激光 光强分布如图2 2 所示。由图2 2 町以看出准分子激光在水平方向上的分布较为 平均，坡度变化不明显，而在垂直方向上的分布坡度变化明显，接近于高斯分布， 且在两个方向上的光束宽度差别较大。 表2 一l 准分子激光器主要参数 t a b l e2 一lp a r a m e t e r so fe x c i m e rl a s e rf o rp r o c e s s i n g 产地德国厂家 l 锄b d ap h y s i k 型号 l p x 3 0 5 i f 工作气体 k r f 输出波长2 4 8 硼脉冲宽度 3 0 n m x 方向光束宽度y 方向光束宽度 3 5 5 姗 1 6 5 咖 ( 激光器出口处)( 激光器出口处) x 方向发散角度 1 2 o m r a d y 方向发散角度 3 3 m r a d x 方向舻 7 l o y 方向旷 1 1 0 0 能毓恤乃 2 1 5 1 o 5 0 零敬力阳 绽霞 0 衄曲 ，h 一，、一一“h 一”h “7 1。 一 1 “、l h 一- h 1 h 1 、 伯2 2 32 5 2 7 2 93 1 术擎疗向 3 33 53 7 4 14 3 “ 缎箨( 哪) 图2 2 准分子激光光斑x 、y 方向中心线光强分布 f i g 2 - 2i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fe x c i m e rl a s e ri nc e n t e rh n e 准分子激光扩束准直透镜组由一凹一凸两个柱透镜组成，主要用于对准分子 激光器输出的光斑进行初步的变换，使得其光束宽度、发散角度在x 、y 方向上基 本一致，其主要参数如表2 2 所示。 表2 2 准分子激光扩束准直透镜组主要参数 t a b l e2 - 2p a r 硼e t e r so fb e 拥e x p a i l d e ds y s t e mf o re x c i m e rl a s e r 第l 面曲率 第2 面曲率材料 焦距 凹透镜 3 9 9 9 哪 熔石英 一7 8 7 哪 凸透镜 一8 8 7 栅 熔石英 1 7 4 5 咖 准分于激光复眼透镜组由一凸一凹两组复眼透镜阵列组成，主要用于对经过 准分子激光扩束准直透镜组的准分子激光进行分割，并通过一凸一凹两组复眼透 镜阵列所形成的变焦距系统，对分割单元的光束宽度和发散角度进行控制，其可 调整范围为2 0 脚一2 0 0 哪，主要参数如表2 3 所示。 北京t 业大学珲学硕卜学位论文 表2 - 3 准分子激光复眼透镜组主要参数 t a b l e2 3p a r a 鹏t e r so ff l y - e y e ss y s t e mf o re x c i m e r1 a s e r 凸复眼透镜阵列 凹复眼透镜阵列 面积 3 6 哪3 6 咖3 6 眦3 6 咖 阵列数 9 9 9 9 阵列单元而积 4 呦4 咖4 胁4 咖 阵列单元焦距 3 0 0 嘞 一8 0 啪 材料熔石英熔石英 准分子激光汇聚透镜主要用于汇聚由准分子激光复跟透镜组分割的光束单 元，其焦距为6 0 0 姗。 准分子激光扩束准直透镜组、准分子激光复眼透镜组和准分子激光汇聚透镜 构成了光束变换组件，该光束变换组件能够将准分子激光光斑能量均匀度提高到 5 以内，其中水平方向( x 方向) 准分子激光光斑能量均匀度提高到2 7 3 ，垂直方向( y 方向) 准分子激光光斑能量均匀度提高到4 5 5 ，如图2 3 所示。 h” - 一抖 图2 3 均匀面上x 、y 两方向上的能量分布情况 f i g 2 3e n e r g yd i s t r i b u t i o nd i a g r 硼o n 吼i f o 埘p l a n e 场镜主要用于控制准分子激光光束通过准分子激光汇聚透镜汇聚后的发散 角度，使其能够通过掩模，并经反射镜反射后，通过缩小投影物镜成像于加工平 台。 掩模主要用于控制准分子激光光束的通过与阻断，其最大面积为1 3 哪 1 3 啪。 反射镜主要用于将平行于水平面方向传播的准分子激光调整为垂直于水平 面方向传播的准分子激光，这样有利于被加工零件的摆放，并使加工平台不易变 形。 缩小投影物镜由3 片熔石英透镜组成，其缩小倍率为1 5 倍，主要用于将通 过掩模的准分子激光清晰地成像于加工平台，m t f 值可以满足文献( 3 0 ) 中m t f 值的b 类要求，主要参数如表2 4 、表2 5 所示。 表2 4 缩小投影物镜丰要参数 t a b l e2 - 4p a r a 舯t e r so fp r o j e c t i v eo b j e c t i v e 表面类型曲率厚度材料 直径 o b j s t a n d a r d i n f i n i t yi n f i n “y o ls t a n d a r d4 1 9 8 哪3 9 2 哪 熔石英 2 8 3 姗 2s t a n d a r d一3 9 4 5 0 m 5 5 4 咖2 8 3 哪 s t o ps t a n d a r d一3 3 9 9 咖3 5 8 哪熔石英 2 6 4 嘲 4s t a n d a r d一4 1 3 0 m3 6 9 咖2 6 4 衄 5 s t a n n a r d 2 3 9 6 咖3 9 5 嘞熔石英 2 4 5 衄 6s t a n d a r d1 2 2 4 6 m3 0 o o 咖2 4 5 咖 i m as t a n d a r di n f i n i t v1 3 4 咖 表2 巧缩小投影物镜系统参数 t 曲l e2 5p a r 硼e t e r so fp r o j e c t i y es y s t 明 表面 7 光阑第三表面 入瞳 2 5 哪 焦距 3 8 6 3 咖 后焦距( 工作距离) 3 0