玻璃基材二次非球面微结构的制备方法与流程

本发明属于微纳加工，具体地说，本发明涉及一种玻璃基材二次非球面微结构的制备方法。

背景技术：

1、随着光学成像技术向微型化、高精度、高集成化方向发展，二次非球面微结构因具备优异的光聚焦、匀光、像差校正能力，在激光雷达匀光片、微型光学镜头、光纤耦合器件等领域的应用日益广泛。其中，激光雷达大扩散角匀光片所需的二次非球面微结构，需同时满足口径≤30μm的小口径设计（保证匀光均匀性）、深度≥50μm的大深度要求（实现大扩散角输出），且需基于玻璃基材制备（保证高透光性、高硬度及光学稳定性），同时要求微结构面型精度高、孔壁光滑、无崩边裂纹，避免影响光学传输及匀光效果。

2、目前，微结构加工方法主要分为机械加工和特种加工两大类，针对玻璃基材的二次非球面微结构加工，现有技术存在明显瓶颈：机械加工如微细铣削、磨削，受玻璃高脆性、高硬度特性限制，加工过程中易产生崩边、裂纹，且无法实现30μm以下的小口径加工，更难以保证二次非球面的面型精度；特种加工如传统激光加工、反应离子刻蚀、湿法刻蚀等，虽能实现小口径加工，但存在诸多适配性缺陷：传统激光加工利用高能束流熔蚀玻璃材料，热影响区较大，易导致玻璃表面析晶、开裂，破坏透光性，且小口径加工时深度增加易出现面型畸变，无法满足二次非球面的精度要求；反应离子刻蚀虽能实现较高的加工精度，但刻蚀速率慢，且当口径缩小至30μm以下时，刻蚀深度难以突破50μm，深宽比受限，同时难以精准控制二次非球面的曲面轮廓；湿法刻蚀基于玻璃的各向异性蚀刻，小口径下深度增加会导致排屑困难，易出现孔径变形、侧壁粗糙等问题，且面型控制精度极低，无法适配二次非球面微结构的加工需求。

3、现有技术中，尚未有制备方法能够兼顾玻璃基材适配性、≤30μm小口径、≥50μm大深度及二次非球面面型精度，同时保证微结构的透光性、表面质量，无法满足激光雷达匀光片等光学成像器件的应用需求。

4、因此，研发一种可适配玻璃基材、能够稳定实现小口径大深度二次非球面微结构加工，且可保障微结构透光性与表面质量的制备方法，已成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，目的是实现玻璃基材上二次非球面小口径、大深度微结构的高精度和高效率的制备。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、对光学玻璃基材进行预处理；

4、s2、制备适配二次非球面面型的二次渐变厚度灰度掩模，将所述掩模贴合固定于预处理后的玻璃基材表面；

5、s3、采用皮秒超快激光蚀刻结合超声振动辅助与高压光学冷却液排屑的复合蚀刻工艺，通过五轴联动平台控制蚀刻姿态，采用分层蚀刻策略对玻璃基材进行加工；

6、s4、蚀刻过程中实时监测蚀刻深度与二次非球面面型精度，形成深度与面型双闭环控制，自动调整蚀刻参数；

7、s5、蚀刻完成后依次进行后处理与检测验收，得到口径10-30μm、深度50-200μm的二次非球面微结构。

8、步骤s1中，所述预处理包括依次进行的超声清洗、真空干燥及退火处理；所述超声清洗采用去离子水、无水乙醇、光学玻璃专用清洗剂依次进行，每步清洗时间为15-20min；所述真空干燥温度为80-100℃，干燥时间为20-30min。

9、步骤s1中，所述退火处理为将干燥后的玻璃基材放入退火炉中，在450-550℃保温2-3h，随炉冷却至200℃后空冷至室温；预处理后的玻璃基材表面平整度≤0.3μm，透光率≥90%；所述光学玻璃基材为石英玻璃、硼硅玻璃、苏打玻璃中的任意一种。

10、步骤s2中，所述二次渐变厚度灰度掩模采用灰度光刻技术结合投影掩模移动滤波技术制备；所述掩模的开口尺寸为10-30μm，开口边缘平整度≤0.1μm，掩模厚度沿开口中心向边缘呈二次渐变分布，渐变梯度为0.5-2μm/mm，掩模总厚度为4-6μm。

11、步骤s3中，所述皮秒超快激光的脉冲宽度为10-50ps，激光功率为80-200mw，激光聚焦光斑直径为5-10μm，激光扫描轨迹适配二次非球面曲面轮廓。

12、步骤s3中，所述超声振动的频率为20-40khz，振幅为1-2μm；所述高压光学冷却液为添加有纳米sio2粒子的无残留冷却液，冷却液压力为5-8mpa，流量为10-15l/min，冷却液喷嘴朝向蚀刻区域。

13、步骤s3中，所述分层蚀刻策略为每一层蚀刻深度控制为2-4μm，每完成一层蚀刻后，采用频率20-30khz的超声清洗3-5min去除残留碎屑，再进行下一层蚀刻；蚀刻过程中，五轴联动平台实时调整激光聚焦位置与玻璃基材的相对姿态，控制蚀刻方向与基材表面的垂直度偏差≤0.5°。

14、步骤s4中，采用激光干涉终点检测技术实时监测蚀刻深度，深度检测精度为±0.1μm；采用移相干涉仪实时检测二次非球面的面型精度；将深度数据与面型数据同步反馈至蚀刻控制系统，与预设参数对比后自动调整激光功率、蚀刻速度、超声振动参数及五轴联动姿态。

15、步骤s5中，所述后处理依次包括掩模去除、等离子体清洗、低温真空干燥及光学精密抛光；所述掩模去除采用光学玻璃脱模剂或等离子体刻蚀，去除时间为8-12min；所述等离子体清洗时间为8-10min；所述低温真空干燥温度为60-80℃，干燥时间为30-60min；所述光学精密抛光采用化学机械抛光结合机器人自动抛光，抛光后微结构内壁表面粗糙度ra≤0.03μm，基材透光率保持≥90%。

16、步骤s5中，所述检测验收包括：

17、采用激光测径仪检测微结构口径尺寸及均匀性；

18、采用激光干涉仪检测微结构深度及垂直度；

19、采用原子力显微镜检测微结构内壁表面粗糙度；

20、采用移相干涉仪检测二次非球面面型精度；

21、采用透光率测试仪检测基材透光率。

22、本发明的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，通过掩模优化、玻璃专用复合蚀刻工艺结合面型与深度的闭环控制，实现了玻璃基材上二次非球面小口径、大深度微结构的高精度、高效率制备。

1.一种玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述预处理包括依次进行的超声清洗、真空干燥及退火处理；所述超声清洗采用去离子水、无水乙醇、光学玻璃专用清洗剂依次进行，每步清洗时间为15-20min；所述真空干燥温度为80-100℃，干燥时间为20-30min。

3.根据权利要求2所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述退火处理为将干燥后的玻璃基材放入退火炉中，在450-550℃保温2-3h，随炉冷却至200℃后空冷至室温；预处理后的玻璃基材表面平整度≤0.3μm，透光率≥90%；所述光学玻璃基材为石英玻璃、硼硅玻璃、苏打玻璃中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述二次渐变厚度灰度掩模采用灰度光刻技术结合投影掩模移动滤波技术制备；所述掩模的开口尺寸为10-30μm，开口边缘平整度≤0.1μm，掩模厚度沿开口中心向边缘呈二次渐变分布，渐变梯度为0.5-2μm/mm，掩模总厚度为4-6μm。

5.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述皮秒超快激光的脉冲宽度为10-50ps，激光功率为80-200mw，激光聚焦光斑直径为5-10μm，激光扫描轨迹适配二次非球面曲面轮廓。

6.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述超声振动的频率为20-40khz，振幅为1-2μm；所述高压光学冷却液为添加有纳米sio2粒子的无残留冷却液，冷却液压力为5-8mpa，流量为10-15l/min，冷却液喷嘴朝向蚀刻区域。

7.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述分层蚀刻策略为每一层蚀刻深度控制为2-4μm，每完成一层蚀刻后，采用频率20-30khz的超声清洗3-5min去除残留碎屑，再进行下一层蚀刻；蚀刻过程中，五轴联动平台实时调整激光聚焦位置与玻璃基材的相对姿态，控制蚀刻方向与基材表面的垂直度偏差≤0.5°。

8.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s4中，采用激光干涉终点检测技术实时监测蚀刻深度，深度检测精度为±0.1μm；采用移相干涉仪实时检测二次非球面的面型精度；将深度数据与面型数据同步反馈至蚀刻控制系统，与预设参数对比后自动调整激光功率、蚀刻速度、超声振动参数及五轴联动姿态。

9.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s5中，所述后处理依次包括掩模去除、等离子体清洗、低温真空干燥及光学精密抛光；所述掩模去除采用光学玻璃脱模剂或等离子体刻蚀，去除时间为8-12min；所述等离子体清洗时间为8-10min；所述低温真空干燥温度为60-80℃，干燥时间为30-60min；所述光学精密抛光采用化学机械抛光结合机器人自动抛光，抛光后微结构内壁表面粗糙度ra≤0.03μm，基材透光率保持≥90%。

10.根据权利要求1所述的玻璃基材二次非球面微结构的制备方法，其特征在于，步骤s5中，所述检测验收包括：