微透镜列阵成像光刻技术

介绍了一种利用微透镜列阵投影成像光刻的周期微纳结构加工方法.该方法采用商业打印机在透明薄膜上打印的毫米至厘米尺寸图形为掩模,以光刻胶作为记录介质,以微透镜列阵为投影物镜将掩模缩小数千倍成像在光刻胶上,曝光显影后便可制备出微米、亚微米特征尺寸的周期结构列阵.基于该方法建立了微透镜列阵成像光刻系统,并以制备800 nm线宽、50 mm×50 mm面积的图形列阵为例,实现了目标图形的光刻成形,曝光时间仅为几十秒,图形边沿粗糙度低于100 nm.该方法系统结构简单、掩模制备简易、曝光时间短;为周期微纳结构的低成本、高效率制备提供了有效途径.     

基于随机微透镜列阵的激光光束匀化方法

利用微透镜列阵实现光束的分割和叠加是一种典型的光束匀化方法。而在微透镜列阵实现激光光束匀化时,由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性,匀化光斑会产生周期性点阵分布现象,降低了光束匀化质量。提出一种利用中心离轴型随机微透镜列阵消除点阵效应以实现激光光束的匀化方法。在分析光束经过微透镜列阵的传播特性基础上,设计列阵中各个子透镜单元的几何中心偏离其光轴,利用中心离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性,消除目标面处的点阵现象,实现高均匀性的光斑分布。采用移动掩模技术制备随机微透镜列阵,并开展激光光束匀化实验。结果表明,该方法能够有效提高激光光束的均匀性,有望在激光加工、医疗和照明等方向有较大的应用前景。     

高功率半导体激光器微光学光束整形技术

基于微光学光束变换系统方法,采用双微棱镜列阵、同轴“之“字形整形方法、反射棱镜阵列法等技术对准直光束进行折叠及光参数积匹配变换,实现光束的完全消像散;利用自行研制的大数值孔径连续非球面微透镜列阵、整形器件等核心微光学器件,实现了准直、聚焦和光纤输出等各种功能。形成了系统的半导体激光器光束整形变换技术,准直后光束发散角达到理论极限;成功获得高效率单芯径光纤耦合半导体激光器泵浦源。     

大光束光纤耦合半导体激光准直系统

光纤耦合半导体激光器广泛的应用在国防、商业、工业等领域，对其光学准直是一项重要的工作。文中详细的介绍非球面透镜设计方法，设计了数值孔径NA=0.37，光纤芯径φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光非球面准直透镜，准直透镜的焦距f=50mm。从像质评定可以看出，非球面准直镜几乎接近衍射极限，整个系统的波像差小于0.3λ。实验结果证明，采用非球面准直系统，能提高光能的利用率，并获得高效准直光束。     

高功率半导体激光器列阵光纤耦合模块

根据大功率半导体激光二极管列阵与光纤列阵耦合方式, 分别从理论和实验两方面讨论、分析了大功率半导体激光二极管列阵与微球透镜光纤列阵耦合。将19 根芯径均为200 μm 的光纤的端面分别熔融拉锥成具有相同直径的微球透镜, 利用V 形槽精密排列, 排列周期等于激光二极管列阵各发光单元的周期。将微球透镜光纤列阵直接对准半导体激光二极管列阵的19 个发光单元, 精密调节两者之间的距离, 使耦合输出功率达到最大。半导体激光二极管列阵与微球透镜光纤列阵直接耦合后, 不仅从各个方向同时压缩了激光束的发散角, 有效地实现了对激光束的整形、压缩, 而且实现30 W 的高输出功率, 最大耦合效率大于80%, 光纤的数值孔径为0.16。     

激光二极管线列阵与多模光纤列阵的光纤耦合

利用一段数值孔径(NA)较小的多模光纤作为一个低成本的微透镜,对激光二极管线列阵的大数值孔径方向准直,将激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中.激光二极管线列阵每个发光单元的光分别耦合到光纤列阵的单根光纤中.总的耦合效率和输出光功率分别为75%和15W.     

激光二极管线列阵与多模光纤列阵的光纤耦合

利用一段数值孔径(NA)较小的多模光纤作为一个低成本的微透镜,对激光二极管线列阵的大数值孔径方向准直,将激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中.激光二极管线列阵每个发光单元的光分别耦合到光纤列阵的单根光纤中.总的耦合效率和输出光功率分别为75%和15W.     

高功率半导体激光器列阵光纤耦合模块

根据大功率半导体激光二极管列阵与光纤列阵耦舍方式。分别从理论和实验两方面讨论、分析了大功率半导体激光二极管列阵与微球透镜光纤列阵耦舍。将19根芯径均为200μm的光纤的端面分别熔融拉锥成具有相同直径的微球透镜，利用V形槽精密排列，排列周期等于激光二极管列阵各发光单元的周期。将微球透镜光纤列阵直接对准半导体激光二极管列阵的19个发光单元，精密调节两者之间的距离．使耦合输出功率达到最大。半导体激光二极管列阵与微球透镜光纤列阵直接耦合后，不仅从各个方向同时压缩了激光束的发散角，有效地实现了对激光束的整形、压缩，而且实现30w的高输出功率，最大耦舍效率大于80％，光纤的数值孔径为0．16。     

利用飞秒激光辐照结合湿法腐蚀方法制备高纵横比全硅槽的研究

利用飞秒激光辐照结合湿法腐蚀方法,制备了高纵横比硅基狭槽。首先利用透镜聚焦飞秒激光至硅片表面,在硅内部诱导结构变化;再结合氢氟酸(HF)溶液选择性腐蚀去除结构变化区域,从而制备出高纵横比硅基狭槽;最后,通过光学显微镜和扫描电子显微镜对狭槽形貌进行表征,研究了狭槽纵横比对激光加工条件如激光功率、扫描速率和数值孔径的依赖特性。结果表明,激光加工条件对于制备高纵横比硅基狭槽存在最优选择。通过优化激光加工参数,可制备出深度为291μm,纵横比为25.3的硅基狭槽。相对于显微物镜,透镜的工作距离较大,加工过程可以避免镜片污染,且具有成本低,通光孔径大等优点。     

激光产生图案用于微光学元件加工

利用激光产生的图样（LPG）可以制成任意连续的表面凸纹结构，其中包括衍射透镜；衍射光栅，输出光栅和相位片等。其应用范围涉及成像系统、激光机械加工、光纤耦合、显示、机加观察和校准等方面的色差矫正。LPG还可以用来制作光学接口方面应用的微型透镜列阵、微型柱面镜列阵和光束偏转列阵等，可以大大地提高太阳能电池和波前传感探测器的效率。还可以制成凹陷为100Prn的折射型微型透镜和微型柱面镜列阵，数值孔径（NA）可达到0．5；井能配置成任意的几何形状（如正方形，矩形或者填充系数为100％的六角形列阵）。还可以由带有图案的…     

半导体激光器光束匀化系统的光学设计

为了提高半导体激光器光束的均匀性,设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜;慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统,在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真,验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性,得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度,研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%,能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。     

100% Fill-Factor Aspheric Microlens Arrays (AMLA) With Sub-20-nm Precision

Substitution of a single aspheric microlens (array) for a complex multilens system results in not only smaller size, lighter weight, compacter geometry, and even possibly lower cost of an optical system, but also significant improvement of its optical performance such as better imaging quality. However, fabrication of aspheric microlens or microlens array is technically challenging because conventional technologies used for macro-sized aspheres like single-point diamond milling, and those for spherical microlens like thermal reflow, are not capable of defining a complicated lens profile in an area as small as several to tens of micrometers. Here we solve the problem by using femtosecond laser micro-nanofabrication via two photon polymerization. Not only well-defined single lens, but also 100% filling ratio aspheric microlens array were readily produced. The average error of the lens profile is only 17.3 nm deviated from the theoretical model, the smallest error reported so far.      

主光轴平行于基底的微透镜阵列制作与测试

应用SU-8负性感光胶的独特性能,采用水浴倾斜紫外光刻的方法,优化工艺参数,构造出主光轴平行于基底的球面微透镜阵列,其单个透镜的直径约为200μm。利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)对微透镜的表面形貌及曲率半径进行测量,并搭建光学观测平台,测得透镜焦距并观察成像效果。经观测,所加工球面微透镜具有较好的表面形貌和成像效果。基于此方法加工的微透镜阵列,主光轴平行于基底,因而便于与其他光学系统进行片上集成,完成对光线的聚焦,最终实现光开关、扫描成像等功能。此微透镜阵列也将集成在微流式细胞仪上,用于样本流的荧光检测,可极大提高检测精度。     

Microlens fabricated in silicon on insulator using porous silicon

In order to realize the planar gradient refractive index (GRIN) microlens which is based upon porous silicon (PSi) and fabricated on silicon on insulator (SOI), a novel anodization method is used by applying lateral electric field. The microlens with smooth variation of the effective optical thickness is achieved. The lens is transparent in the infrared region, including the optical communication window (1.3 μm<λ<1.6 μm). This approach also allows the fabrication of an array of such lenses on SOI, and the GRIN microlens can be used as potential components in future silicon-based integrated optical circuits.     

光学胶膜液体可变焦微透镜阵列

微透镜阵列在光束匀化、波前测量、集成成像等领域有广泛应用。设计了一种基于光学胶膜(Optically Clear Adhesive, OCA)的液体可变焦微透镜阵列。采用矩形排列的硅微孔阵列控制单个透镜的孔径和排布,并以OCA光学胶膜和去离子水作为微透镜阵列的塑形材料。通过调整微流体腔内液体注入的体积实现对透镜焦距从1.46~10.44 mm的调整。依据聚焦与成像实验证实了微透镜阵列具有良好的均匀性。最后,将该微透镜阵列应用于激光光束匀化整形,通过一对微透镜阵列实现了光束匀化整形。进一步通过固定一对微透镜阵列的间距实现匀化光斑尺寸在7.2~8.4 mm内可调,为匀化光斑尺寸可调提供了新思路。     

A surface micromachined optical scanner array using photoresist lenses fabricated by a thermal reflow process

This paper presents the design, fabrication, and operation of a newly developed micromechanical optical scanner array using a translating microlens. We have used photoresist reflow technique to form a microlens on a surface micromachined XY-stage of the scratch-drive actuation mechanism. The lens scanner is placed at the focal length from an incident optical fiber to collimate the transmitting light. The collimated beam is steered two-dimensionally by the XY-motion of the microlens with respect to the incident fiber. We also have developed a theoretical model to predict appropriate initial resist thickness and diameter for the scanning lens. An optical scanning angle of /spl plusmn/7/spl deg/ has been demonstrated by sliding a microlens of 670-/spl mu/m focal length at a physical stroke of /spl plusmn/67 /spl mu/m. Typical angular positioning resolution has been estimated to be 0.018/spl deg/.     

异形口径离轴非球面光学加工与测试技术

针对离轴非球面制造的难点,研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG 对离轴非球面进行了铣磨和表面成形,然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2 对离轴非球面进行了研磨和抛光,最后利用离子束对其进行了精抛光,并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600 mm270 mm 的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测,并专门设计研制了光学补偿检测装置,对其进行了零位补偿干涉测量,其最终面形PV值为0.219 ,RMS 值为0.018 。     

凸二次非球面反射镜的自准法检验

在反射光学系统中大多采用凸非球面,但凸非球面的加工和检验一直是比较困难的问题。利用透射凸二次非球面具有自消像差的能力,从三级像差理论出发,提出了凸二次非球面的透射式自准检验和反射式自准检验两种方案,解决了采用Hindle球检验口径过大的问题。以某型号φ600R-C系统的凸次镜为例,分析了加工过程中的检验精度,并和Hindle球检验方法进行比较。结果表明,凸非球面的自准检验是一种切实可行的高精度检验方法。