一种基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法

技术领域

本发明涉及光器件以及飞秒激光加工技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法及集成菲涅尔透镜。

背景技术

飞秒激光是一种以脉冲形式发射的激光，脉冲持续时间以飞秒为单位。当聚焦的飞秒激光打在材料上，由于非线性吸收作用，光子的能量会被传送到材料晶格内部，从而造成材料的结构变化。这种结构变化可以改变材料的光学属性。飞秒激光脉冲具有瞬时高能量，非接触性，高精度微纳米级加工的特点。

飞秒激光加工是一种有潜力的现代集成光学制造技术。与最传统的电子束光刻和等离子增强化学气相沉积相比，飞秒激光直接写入具有制造速度快，加工结构设计灵活，空间精度高，加工样品易于集成等优点。

菲涅尔透镜(Fresnel lens)，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。菲涅尔透镜具有重量轻、厚度薄的优点，在投影显示、太阳能光伏、航空航海等领域有着广泛的应用。

传统的菲涅尔透镜的加工多采用机床刻录模具，再用刻录好的模具进行整体浇注和模压成型，或者直接在镜片基材上进行磨削、刻录而成。模具浇注和模压成型的方法工序复杂，模具设计灵活性低、加工时间长、通用性弱且制造成本高。而通过直接在镜片基材上进行磨削、刻录制备的菲涅尔透镜不容易集成。

也就是说，传统的菲涅尔透镜制作工艺存在工序复杂、制作成本大、灵活性低、难以集成的缺点，难以满足菲涅尔透镜小型集成化的发展要求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法及集成菲涅尔透镜，旨在解决现有技术中菲涅尔透镜制作工艺存在工序复杂、制作成本大、灵活性低、难以集成的缺点，难以满足菲涅尔透镜小型集成化的发展要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，所述基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法包括如下步骤：

预先设置飞秒激光加工系统的加工参数，所述飞秒激光加工系统中的飞秒激光光源产生飞秒激光，所述飞秒激光经过光纤或者光学镜片进行光束准直得到准直光束；

所述准直光束经过透镜聚焦至激光加工基底材料上；

根据设置好的菲涅尔透镜的加工设计参数和加工层数对所述激光加工基底材料进行加工，得到集成菲涅尔透镜。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述加工参数包括飞秒激光能量、波长、脉冲能量、重复频率、脉冲持续时间、单点重复加工次数和透镜的数值孔径。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述光纤或者所述光学镜片根据需求放置于所述飞秒激光加工系统中的机械可控位移平台；

所述机械可控位移平台用于控制所述飞秒激光的移动，对所述激光加工基底材料进行加工。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述激光加工基底材料包括融石英、硅片、锗片、蓝宝石、金红石、氟化钙、氟化钡、氟化镁和硒化锌；

所述激光加工基底材料为成熟的光学元件或者空白基片。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述透镜放置于所述机械可控位移平台。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述加工设计参数包括菲涅尔透镜的焦距，直径和层数。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述透镜的数值孔径为0.1NA-1.5NA。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述波长为0.1-10μm；

所述脉冲能量为1nJ-10μJ；

所述重复频率为1Hz-10GHz；

所述脉冲持续时间为1-1000fs。

可选地，所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，其中，所述集成菲涅尔透镜的直径范围为0.1-100mm；

所述集成菲涅尔透镜的的焦距范围为0.1-100mm。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种集成菲涅尔透镜，其中，所述集成菲涅尔透镜由所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法制作而成。

本发明中，预先设置飞秒激光加工系统的加工参数，所述飞秒激光加工系统中的飞秒激光光源产生飞秒激光，所述飞秒激光经过光纤或者光学镜片进行光束准直得到准直光束；所述准直光束经过透镜聚焦至激光加工基底材料上；根据设置好的菲涅尔透镜的加工设计参数和加工层数对所述激光加工基底材料进行加工，得到集成菲涅尔透镜。本发明基于飞秒激光刻写技术进行加工制成菲涅尔透镜，通过调整飞秒激光的参数设置以及加工方式，加工成本低、速度快、稳定性高，可以实现对菲涅尔透镜参数的精准控制。

附图说明

图1是本发明基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法的较佳实施例的流程图；

图2是本发明基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法的较佳实施例中基于飞秒激光加工的刻写结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，如图1和图2所示，所述基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法包括以下步骤：

步骤S10、预先设置飞秒激光加工系统的加工参数，所述飞秒激光加工系统中的飞秒激光光源产生飞秒激光，所述飞秒激光经过光纤或者光学镜片进行光束准直得到准直光束。

具体地，所述飞秒激光加工系统为加工菲涅尔透镜的加工机器，那么在加工前，需要预先设置所述飞秒激光加工系统的加工参数，其中，所述加工参数包括飞秒激光能量、波长、脉冲能量、重复频率、脉冲持续时间、单点重复加工次数和透镜的数值孔径，所述波长为0.1-10μm，所述脉冲能量为1nJ-10μJ，所述重复频率为1Hz-10GHz，所述脉冲持续时间为1-1000fs。

所述飞秒激光加工系统中的飞秒激光光源(相当于激光器)产生飞秒激光，所述飞秒激光经过光纤或者光学镜片进行光束准直得到准直光束(如图2中的1表示的即是光束准直后的飞秒激光)，其中，所述光纤或者所述光学镜片根据需求放置于所述飞秒激光加工系统中的机械可控位移平台，所述机械可控位移平台属于所述飞秒激光加工系统中的一个部件，所述机械可控位移平台用于控制所述飞秒激光的移动，对所述激光加工基底材料进行加工。

步骤S20、所述准直光束经过透镜聚焦至激光加工基底材料上。

具体地，所述激光加工基底材料(如图2中的2表示的即是激光加工基底材料)包括融石英、硅片、锗片、蓝宝石、金红石、氟化钙、氟化钡、氟化镁和硒化锌；即加工时，所述激光加工基底材料为融石英、硅片、锗片、蓝宝石、金红石、氟化钙、氟化钡、氟化镁和硒化锌的任意一种；所述激光加工基底材料为成熟的(已完成的，“已完成”的意思是指已具备某种功能的成熟的光学元件，即待加工的基底材料可以是成熟的光学元件或者空白的透明光学介质；飞秒激光可以直接在光学元件或者透明介质内部进行菲涅尔透镜的结构刻写，因此可以将多个不同功能的光学元件集成在一起。具有容易集成的优势)光学元件或者空白基片。

所述透镜放置于所述机械可控位移平台，透镜指具有会聚光束作用的聚焦透镜，例如平凸、正凹凸、非球面透镜等；对于比较精细加工的场景，会采用高倍物镜(类似于显微镜使用的)进行聚焦，比如放大倍数为40倍，数值孔径NA＝0.65的物镜(举例：Olympus PlanN40x/0.65na Objective)。

其中，所述透镜的数值孔径的参考范围为0.1NA-1.5NA，常用数值孔径比如0.25NA，0.65NA，1.25NA等；根据需求可选择不同数值孔径的透镜，不同数值孔径(NA)对光的聚焦景深不同，数值孔径的值越小，景深越大，单次激光扫描加工的厚度也就越厚。所以对于不同器件，尺寸和精细程度的要求不同，就可以采用不同的透镜数值孔径来加工。

激光脉冲(光束准直后的飞秒激光)聚焦至芯片材料(激光加工基底材料)，聚焦光斑为0.1-100μm，通过非线性吸收，使透明材料中写入透镜。

步骤S30、根据设置好的菲涅尔透镜的加工设计参数和加工层数对所述激光加工基底材料进行加工，得到集成菲涅尔透镜。

具体地，所述加工设计参数包括菲涅尔透镜的焦距，直径和层数；根据需求，编码菲涅尔透镜的加工设计参数以及设计加工层数，从而在激光加工基底材料内部进行加工；通过调整飞秒激光的参数设置以及加工方式，可以实现对菲涅尔透镜参数的精准控制。

例如，样品(菲涅尔透镜)固定在一个三维台面(即机械可控位移平台)上的，使用电脑可以编码台面(即机械可控位移平台)的移动(x，y，z轴)，通过控制台面移动的轨迹(从而控制激光加工的精确位置)以及飞秒激光的脉冲发射时间，可以加工出想要的形状(类似3D打印)。

菲涅尔透镜的加工设计参数主要是焦距，直径以及层数。加工层数的设计涉及到与透镜的匹配，比如对于加工厚度为0.1mm的结构，如果用数值孔径比较小的聚焦透镜(景深较长，单次扫描厚度较厚)，那么只需要堆叠扫描5次就能达到0.1mm的总厚度，也就是5层结构，但是如果使用数值孔径比较大的聚焦透镜，可能就需要10层。

另外，刻写的所述集成菲涅尔透镜的直径范围为0.1-100mm；所述集成菲涅尔透镜的的焦距范围为0.1-100mm。

如图2所示，图2中的1的飞秒激光产生波长为1030nm倍频515nm激光，脉冲宽度为200飞秒，脉冲重复频率为200kHz，脉冲能量为220nJ。利用焦距为0.15mm数值孔径1.25的透镜将激光脉冲聚焦至10×10×1mm的融石英底片内部(20μm深度)，烧蚀20层(图2中的3表示单层或多层结构)菲涅尔透镜结构。

本发明利用飞秒激光直接在激光加工基底材料内部进行菲涅尔透镜结构刻写，以及通过调整飞秒激光的参数设置实现对菲涅尔透镜参数的精准控制，有效解决了传统菲涅尔透镜难以集成和结构设计灵活性低的问题；制备成本低、速度快、稳定性高，本发明涉及的基于飞秒激光刻写的透明介质内部的集成菲涅尔透镜可应用于投影显示、太阳能光伏、航空航海等重要领域。

有益效果：

(1)快速制造：根据所用激光器不同，刻写的速度不同。对于重复率为1MHz的激光器，1mm直径的单层透镜刻写时长在30秒以内。

(2)透镜参数可控：通过控制激光参数，可以控制菲涅尔透镜在焦点处的效率在0-100％之间，当一束光打到透镜上时，通过透镜的汇聚作用，在焦点处会有一个光点，焦点处的效率即这个光点的能量与总能量的比值。

(3)可重复性高：通过对基片的测试，确定加工编码图样(加工编码图样即提到的“编码菲涅尔透镜”，是对三维移动轴编码之后形成的轨迹图，根据需求不同，编码也不同)和加工方法，可在相同的程序下对相同要求的基片进行重复加工量产。

(4)稳定性高：激光刻写的结构具有极高的机械稳定性，工作温度范围-50℃-200℃。

(5)高集成度：可以在成熟的光器件内部进行加工，具有高集成度。

(6)成本低：加工成本低廉，基于激光加工技术，且无需超净间制备环境。

进一步地，基于上述基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法，本发明还相应提供了一种集成菲涅尔透镜，所述集成菲涅尔透镜由所述的基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法制作而成。

综上所述，本发明提供一种基于飞秒激光刻写的集成菲涅尔透镜的制作方法及集成菲涅尔透镜，所述方法包括：预先设置飞秒激光加工系统的加工参数，所述飞秒激光加工系统中的飞秒激光光源产生飞秒激光，所述飞秒激光经过光纤或者光学镜片进行光束准直得到准直光束；所述准直光束经过透镜聚焦至激光加工基底材料上；根据设置好的菲涅尔透镜的加工设计参数和加工层数对所述激光加工基底材料进行加工，得到集成菲涅尔透镜。本发明基于飞秒激光刻写技术进行加工制成菲涅尔透镜，通过调整飞秒激光的参数设置以及加工方式，加工成本低、速度快、稳定性高，可以实现对菲涅尔透镜参数的精准控制。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。