基于表面压痕技术的凹微透镜及其阵列加工方法的研究

The application of micro-optics has generated remarkable influences on many fields, such as communication, bio-technology, and national defense. As one of the key techniques in modern micro-optics, the fabrication of optical elements has attracted significant attention in the field of precise fabrication. In the present study, we propose a mechanical indentation technique for the fabrication and manipulation of micro or sub-micro silicate lens and their arrays with high precision. Based on our previous simulation study on the interaction between indenters and materials, we will define critical process parameters and standard protocol for the fabrication of micro lens with different diameters and shapes. Without using photolithography, this highly efficient fabrication procedure will lead to extremely accurate control of surface roughness and form precision. We can also use the ordered array of the micro concave lens as a mask to produce the lattice arrays of convex lens. This method will offer a new approach for the fabrication of micro lens and their arrays, and provide the theoretical and technical support for micro-optical technology.

微光学技术的应用对通信、国防及生物技术等众多领域产生了深远的影响。微光学元件的制造技术是微光学技术的核心内容，也是各国精密制造领域的研究热点之一。本项目提出一种硅－氧基材料上基于机械压痕技术的微透镜结构加工方法，将实现微米及亚微米尺度高质量微透镜及其阵列的精密制造。通过进一步完善我们此前研究中机械压头与材料相互作用的原理模型，从理论和实验角度对不同直径和面型的透镜加工过程中的关键工艺参数进行探索，并将制定此项技术的标准工艺流程。本方法无需光刻过程，加工流程简单高效，能够实现极高的表面粗糙度和面型精度控制。通过本方法来设计制造的凹透镜及其阵列还可以直接作为模板通过热压印等手段制造高精度的凸透镜及其阵列。本方法将提供微透镜制造领域的一种全新手段，能够有效地为微光学技术应用提供支撑。

随着微型化和智能化成为现代工业和科技发展的主要方向，微光学技术也在通信、国防及航空航天等领域得到广泛关注。微光学元件的制造作为微光学技术的核心内容，成为各国精密制造领域的研究热点。本课题采用“表面机械压痕技术”与“压痕压密区域加速溶解”相结合的方法制造硅－氧基材料折射式微透镜及其阵列，从理论和实验角度分析了压痕损伤及压密区域加速溶解现象机理，系统研究了加工过程中关键工艺参数对微透镜面型的影响，得到如下结论：在玻璃材料表面压痕区域，存在压密、塑性变形和弹性变形三种机制，相同载荷下，压头几何结构越平钝，压痕下方弹性变形区域越大，压密和塑性变形区域则越小。压痕下方压密区域材料内部自由体积减小，SiO4四面体结构中Si-O-Si键键角减小，有利于水分子向玻璃网状结构扩散，造成其在碱性溶液中溶解速度加快。而在0.9×Tg温度下退火2小时可使压密现象消失，加速溶解现象也随之消失。通过Matlab建模，对压痕区域溶解速率求解，得到压痕压密区域范围及其溶解速率分布云图。通过改变压痕载荷、退火时间、材料化学组分和压头几何结构四种关键工艺参数，发现压痕形貌随腐蚀时间变化规律相似，均由初始的三角或四角锥结构逐渐变为半球体结构。不同载荷下，压痕区域均存在加速溶解现象，其速率不随载荷大小发生变化；退火时间增加可使加速溶解速率减小，退火10 min后，其速率仅为未退火的0.51倍；材料中SiO2含量增加使其压密程度降低，加速溶解速率随之减小；50 mN的维氏和玻氏压痕区域最大溶解速率均为161 nm/h，加速溶解区域至压痕下方约2000 nm处，为压痕深度6.5倍。基于以上结果，建立不同工艺参数下微透镜面型随腐蚀时间变化的数学模型，实现微透镜及其阵列的高精度面型控制。采用此方法制备的凹微透镜阵列，具有很好的尺寸均匀性及光学性能，可有效为微光学技术应用提供支撑。综上，本课题系统研究了基于表面压痕技术制备凹微透镜及其阵列的若干机理及工程问题，取得了较好的成果，完成了既定的研究目标。