自写物入光波导聚合微透镜阵列的设计与制作
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计
基于ZEMAX的自聚焦透镜设计摘要：自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。
自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
自聚焦透镜是光纤传输系统中构成准直、耦合、成像系统的主要部分。
本文主要简要概述基于ZEMAX的自聚焦透镜设计。
关键词：自聚焦；ZEMAX；梯度折射率；透镜设计1 自聚焦透镜的特点自聚焦透镜（Grin Lens）又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。
具有聚焦和成像功能。
自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。
由双透镜组成的准直聚焦耦合系统中可以有较大间隙以插入滤波片、衰减片等来构成多种体积小、结构紧凑的无源器件，所以在光纤通信系统中得到越来越多的应用。
由于自聚焦透镜内部的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元件。
此外这种光学元件的几何形状简单，容易进行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。
2 ZEMAX介绍ZEMAX是美国Focus Software Inc所发展出的一套综合性的光学设计仿真软件，将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。
具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，还可仿真Sequential和Non-Sequential成像系统和非成像系统，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
自聚焦透镜是由梯度折射率材质构成的，在ZEMAX的表面类型中的Gradient即是梯度透镜。
在本文中也是采用梯度透镜来模拟设计。
3 基于ZEMAX的自聚焦透镜设计自聚焦透镜利用了梯度变折射率分布沿径向逐渐减小的变化特征折射率变化由公式表述。
其中表示自聚焦透镜的中心折射率；表示自聚焦透镜的直径；表示自聚焦透镜的折射率分布常数。
在梯度折射率透镜设计中，我们首先选择SLS-1.0作为镜面模型。
平面光波导的制备与测试技术
平面光波导的制备与测试技术光通信作为一种高速、大容量的通信方式，在现代通信领域中扮演着重要角色。
而平面光波导作为光通信中的核心组件之一，其制备与测试技术的发展对于提高光通信的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、平面光波导的制备技术平面光波导的制备过程主要包括材料选择、器件设计和加工工艺三个环节。
首先，材料选择是平面光波导制备的基础。
常见的平面光波导材料有硅(Si)、氧化硅(SiO2)、聚合物等。
硅是一种优良的基底材料，具有优异的光学和电子特性，被广泛应用于平面光波导的制备。
而氧化硅和聚合物则具有较好的光学特性和加工性能，适用于一些特殊需求的光波导器件。
其次，器件设计是平面光波导制备的核心。
器件设计主要包括平面光波导核心层的宽度、厚度等参数的确定，以及相应的布线规则。
平面光波导的核心层应保证光的传输效果，一般会采用较薄的材料。
此外，根据需要，还可以设计一些附加的结构，如激光器、光电探测器等。
最后，加工工艺是平面光波导制备的关键。
平面光波导的加工工艺主要包括光刻、湿法刻蚀、干法刻蚀和热压等步骤。
光刻是通过光干涉技术制备光刻胶阻隔层的过程，湿法刻蚀和干法刻蚀则用来刻蚀材料，以形成平面光波导结构。
热压则用来固定光波导结构与衬底之间的粘合。
二、平面光波导的测试技术平面光波导的测试技术对于确保器件的性能和可靠性至关重要。
首先，常见的平面光波导测试技术包括波导特性测试和光输出功率测试。
波导特性测试主要关注光波导的传输性能，包括驻波比、插损、耦合效率等参数的测量。
光波导可以通过光纤器件的耦合测试来评估光纤与光波导之间的传输效果。
而光输出功率测试则用来评估光波导器件的输出性能，可以通过光功率计等仪器进行测量。
其次，光波导对环境的敏感性和稳定性也需要进行测试。
在实际应用中，光波导往往会受到温度、湿度等环境因素的影响，因此需要对其在不同环境条件下的性能进行测试。
常见的测试方法包括温度循环、湿度暴露和振动测试等。
最后，平面光波导的可靠性测试是评估其在长期使用中的性能和稳定性的关键。
光波导型偏振器设计与研究
光波导型偏振器设计与研究长春理工大学摘要在光纤通讯和光纤陀螺光集成回路系统中使用的集成光路都必须在单一偏振态工作,因此,精确控制光波导中光波的偏振态是系统正常工作的首要条件。
利用质子交换波导中寻常光折射率减小,非寻常光折射率增大这一特性,制作出具有偏振选择性的质子交换波导偏振器。
该器件因其尺寸小,偏振消光比特性好,抗电磁干扰强,便于与其他光波导器件集成而日盏受到重视。
基于对商品质偏振器件的需求, 本文设计并研制出.波段质子交换波导偏振器,其偏振消光比大于,偏振插入损耗小于.,达到了集成光路中对器件的偏振要求。
该质子交换波导偏振器在衬底上采用质子交换与钛扩散相结合的方法制作。
为了得到尽可能高的偏振消光比和尽可能低的偏振插入损耗,本文对钛扩散波导和质子交换波导的宽度,厚度和长度等尺寸以及钛扩散波导和质子交换波导的工艺过程进行了探讨与研究。
将质子交换波导位于钛波导正中间,构成结构,从而使器件具有最小的损耗。
在偏振器尺寸上进行了理论计算和优化设计,使能量耦合和模式耦合处于最佳状态,从而降低了器件整体的插入损耗。
同时采用提高折射率增量和扩展模式阶数来提高器件的消光比。
对制作的器件进行了消光比和插入损耗测量,其消光比大于,偏振插入损耗小于.,这一结果对光纤通信,光纤陀螺和光传感技术中光无源器件的应用提供了理论和实验方面的数据和资料。
关键词:光波导偏振器设计与研究消光比插入损耗 ,.. ’ . ,., ,.,. ,.. . .,.跏.,,..?..,..髂 . ..矾.蠡.:Ⅱ长春理工大学硕士或博士学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的硕士或博士学位论文,《论文题目》是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
MOEMS器件的硅微透镜阵列制造工艺
流动形成微透镜。 Ｐｈ Ｎｕｓｓｂａｕｍ、Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｔｏｓｈｉｙｏｓｈｉ 和 Ｔ．Ｈ．Ｌｉｎ 等人先后对此进行了研究［６－１０］ 。 该方法制作 微透镜工艺简单、成本低，且表面光洁，适于制作微米 级的透镜，对毫米级的透镜制作则较为困难。
对于焦平面阵列器件来说，尽管单个像元是 μｍ 级，但包含 Ｍ×Ｎ 像元阵列的芯片则达到了 ｍｍ 级，与 此对应的单个透镜的有效通光口径也达到了 ｍｍ 级。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ＭＯＥＭＳ ｄｅｖｉｃｅ．Ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｗｅｒｅ ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎｔｏ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ａｎｄ ＩＣＰＲＩＥ．Ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ２．４１ ｍｍ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｗｉｔｈ ９９．９ μｍ ｉｎ ｈｅｉｇｈｔ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｍｉｃｒｏ⁃ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ １１５ ℃ ｔｏ １３０ ℃ ａｔ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ２．５ ℃ ／ ｍｉｎ．Ｔｈｅ ｅｘａｃｔ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｅｄ ｏｎｔｏ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｔｃｈｉｎｇ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＩＣＰＲＩＥ ａｓ ａｂｏｕｔ １ ∶ １ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ； ＭＯＥＭＳ （ ｍｉｃｒｏ⁃ｏｐｔｏ⁃ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ） ； ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅ⁃ ｆｌｏｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ； ＩＣＰＲＩＥ（ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）
紫外衍射微透镜阵列的设计与制备
紫外衍射微透镜阵列的设计与制备张伟;李毅;张虎;黄毅泽;朱慧群;孙若曦【摘要】通过研究互相关联的光学和工艺参数,用标量衍射理论设计了用于128×1日盲型紫外探测器的衍射微透镜阵列,其工作中心波长为400 nm,单元透镜F数为.f/5,f为焦距.采用组合多层镀膜和剥离的工艺方法制备微透镜阵列,对工艺流程和制备误差进行了分析,对制备出的128×1的衍射微透镜阵列的光学性能进行测量和分析.实验结果表明,衍射微透镜阵列的衍射效率为87%.制备误差主要来自对准误差和线宽误差.紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外焦平面阵列的单片集成要求.%Diffractive microlens arrays for 128 × 1 solar-blind UV photodetectors were designed using scalar diffraction theory by considering the interrelated optical and process parameters.The working center wavelength is 400 nm, the lens F number is f/5.The microlens arrays were fabricated by use of combination multi-coatings and stripping technique, the practical processes and fabrication errors were discussed, and the optical characteristics of 128 × 1 diffractive microlens arrays were measured and analyzed.Experimental results show that the diffraction efficiency of the diffractive microlens array is 87％.The fabrication errors come from the alignment error and the line width error.The overall performance of ultraviolet diffractive microlens array can meet the monolithic integration requirements of the microlens array with the ultraviolet focal plane array.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2011(033)002【总页数】5页(P174-178)【关键词】紫外;微透镜阵列;菲涅尔波带片;组合多层镀膜与剥离【作者】张伟;李毅;张虎;黄毅泽;朱慧群;孙若曦【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学上海市现代光学系统重点实验室,上海,200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海,200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海,200093;五邑大学薄膜与纳米材料研究所,江门,529020;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海,200093【正文语种】中文【中图分类】TN43:TN213当今的光电子技术已从可见光波段延伸至红外和紫外等非可见光区.目前,红外技术已经广泛应用于各种领域.现在的紫外技术已经不再仅局限于军事领域,各种紫外光电设备已经在民用领域逐渐得到应用.其中,在民用方面的应用有医学诊疗、天气灾害预警等,还有许多有待开发的用途[1-2].在紫外成像和紫外探测方面,由于多种因素导致紫外焦平面探测器的单元有效探测面积小于像元单元面积,即填充因子远小于100%,因此,整个视场中只有一部分光能被探测器的光敏面接收.为了提高探测器的灵敏度,必须将照射到非光敏区的光会聚到单元的有效探测面上[3].衍射微透镜与传统的折射透镜一样,也有会聚光能和成像的作用,由于它体积小、质量轻、集成度高、易于复制而被广泛地应用于红外光电探测器、图像识别和处理、光通讯、激光医学及空间光学等许多领域.本文通过利用衍射微透镜阵列与焦平面阵列集成,设计和制备了用于128×1日盲型紫外探测器的衍射微透镜阵列,以提高紫外焦平面的填充因子,最终达到提高探测器性能的目的[3-4].1 紫外衍射微透镜的设计衍射微透镜是根据菲涅尔波带片原理设计的,是由若干个以光轴为中心的圆环组成,每一个圆环都相当于一个独立的折射面,这些圆形环带均能使入射光线会聚到一个共同的焦点.但是,由于连续面型的衍射微透镜难于加工,目前都用多台阶结构来近似连续面型结构,台阶数越多,其衍射效率就越高.在许多应用场合中,当微光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级,刻蚀深度也较大时,标量衍射理论中的假设和近似便不再成立.此时,光波的偏振性质和不同偏振光之间的相互作用对光的衍射结果起着重大作用,必须使用严格的矢量衍射理论及其设计方法.当衍射结构的横向特征尺寸大于光波波长时,光波的偏振属性变得不那么重要,仍可采用传统的标量衍射理论.本文应用标量衍射理论来设计衍射微透镜阵列[3].衍射微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成如图1所示,通过微透镜的会聚作用,将光会聚到探测器的光敏面上,增加了光能利用率.对用于128×1日盲型紫外探测器的衍射微透镜阵列,通过考虑工艺参数和探测器阵列的结构参数,设计了一个中心波长为400 nm的128×1紫外衍射微透镜阵列,其中,焦距 f=400 μ m,台阶数L=8,中心距为80 μ m,透镜F数为f/5,浮雕的台阶深度式中,nGaN为微透镜材料的折射率;n0为空气的折射率;λ为入射光的波长.图1 衍射微透镜阵列与紫外焦平面阵列的集成Fig.1 Integration between UV focal plone array and diffractive microlens array由于微透镜的厚度仅为波长量级,它与传统的折射元件相比是一个平面元件,表面由多个环带构成,其中,第m个环带的第l个台阶的半径[5]其中,m=1,2, (8)最小特征尺寸位相深度因子M定义为式中,M为整数;Δ n为两种介质折射率差,与设计波长λ有关;hmax是位相深度因子为M时元件的最大浮雕深度.光学元件的设计必须同实际的工艺加工条件相结合,由于工艺设备极限分辨率的限制,使得大数值孔径元件的制备非常困难.为了增大元件表面的最小特征尺寸,使加工过程易于实现,通常引入参数M,其取值范围为M≥1的整数.此时,相位分布为0～2Mπ内的锯齿状分布.对相同的相位分布,当M增加时,每个波带其横向和纵向尺寸都得到了增加.因此,在量化台阶数相同的情况下,通过改变M的大小来调节波带周期,可以控制元件表面的最小特征尺寸.当透镜边缘某一局部区域内的最小特征尺寸小于工艺设备的极限分辨率时,可通过改变该区域M的值加大表面浮雕结构的深度,从而扩大该区域的横向宽度,使最小特征尺寸大于工艺分辨率.这种设计方法称为相位匹配,其中,位相深度因子M又称为相位匹配因子,它直接决定元件局部区域内的浮雕深度[6].通过计算得到衍射微透镜的各台阶半径数值,如表1所示.表1 衍射微透镜的各台阶半径数值Tab.1 Diffractive microlens radius of each step numberm L 1 2 3 4 5 6 7 8 0 6.325 8.945 10.956 12.651 14.144 15.495 16.737 17.893 1 18.980 20.006 20.983 21.917 22.813 23.675 24.506 25.311 2 26.091 26.848 27.585 28.302 29.002 29.685 30.353 31.007 3 31.647 32.275 32.891 33.496 34.090 34.673 35.248 35.813 4 36.369 36.917 37.45737.990 38.515 39.033 39.545 40.0002 制备工艺2.1 制备工艺设计目前用于制备微透镜的工艺方法是采用类似于集成电路的光刻和刻蚀工艺,存在工作温度高、设备昂贵、工艺兼容性差及成本高等一系列问题.考虑到在紫外波段,表面浮雕结构的深度为纳米量级,因此,采用了组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜的表面浮雕结构,该制备方法具有精度高、可重复性好等特点[7-9].这种制备技术可以克服现有制备技术精度低、工艺兼容性差、设备昂贵,以及由于制造工艺过程中的不均匀所导致的产品成品率下降和高温工艺可能导致焦平面阵列性能下降等缺点.通过采用有效的双面对准技术,组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺,将衍射微透镜阵列制备在紫外探测器芯片的背面,以提高小填充因子的紫外焦平面的性能.由于单片集成是在焦平面阵列制造工艺完成之后,在同一芯片上进行衍射微透镜阵列的制备,为确保在单片集成衍射微透镜的制备过程中不致引起紫外焦平面阵列性能下降,要求各项工艺的温度最好低于100℃.2.2 制备工艺流程组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜阵列的步骤如下:a.利用光刻技术直接在背照式紫外焦平面芯片的光入射面制备光刻掩模图形;b.采用镀膜方法在具有光刻掩模图形的表面沉积膜层,多层镀膜的材料为GaN,各层的厚度分别为235,118,59 nm;c.将具有膜层的芯片浸入去胶剂中,浸泡3～5 min;d.通过摇晃或超声震动,将光刻胶上的膜层和光刻胶去除干净.上述工艺完成,可获得2台阶的表面浮雕结构,如图2(a)所示;e.通过一次重复a—c的工艺步骤,可获得所需4台阶的表面浮雕结构,如图2(b)所示,通过两次重复a—c的工艺步骤,可获得所需8台阶的表面浮雕结构,如图2(c)所示;图2 组合多层镀膜和剥离方法制备8阶微透镜阵列的工艺流程Fig.2 Mix multi-layer coating and stripping method of 8 step microlens fabrication process f.最终将具有衍射微透镜的紫外焦平面阵列芯片用去离子水清洗1～2 min,最后用高纯氮气吹干.图2是采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备8台阶衍射微透镜阵列[10]. 应用JC500-3/D型磁控溅射镀膜设备,在衬底温度不超过80℃的条件下制备GaN 膜层,实验中光刻胶为AZ-P4620.在制备工艺中发现,涂光刻胶时,在不影响均匀性和分辨率的前提下,光刻胶越厚越好,这样容易剥离不需要的GaN膜层.此外,曝光时一定要保持曝光充分,以确保显影时能够显示清晰的图形.当微透镜台阶深度比较大时,曝光量小于曝光阈值的区域就比较小,所以,微透镜面形失真的区域比较小.而当要制备的微透镜台阶深度较小时,抗蚀剂表面曝光量小于曝光阈值的区域就变得非常大,显影结束后微透镜面形失真的区域将大大降低对光的调制能力[9].通过上述的设计方法和工艺技术,制备了用于128×1的衍射微透镜阵列,其中,焦距为400 μ m,中心距为80 μ m,台阶数为8,中心波长为400 nm,其显微照片如图3所示.组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺技术具有整个过程简单、薄膜厚度可精确至纳米级、精度高、操作方便、重复性好及实用性强等特点.较之目前市场上灰度等级掩模与刻蚀,激光束辅助加工技术等有不可比拟的优势[5].由于这种工艺方法的膜层厚度可精确到纳米级,深度误差对衍射微透镜的影响不大.因此,制备主要有线宽误差和对准误差这两种误差.图3 衍射微透镜阵列的显微照片Fig.3 Micrograph of microlens arraya.线宽误差.它是由掩模图形制备过程或掩模图形转印过程引起的图形线宽与设计线宽偏差.b.对准误差.它是在掩模图形多次转印过程中由于掩模版之间的对准误差而引起浮雕轮廓相对理论设计轮廓的偏差.对准误差对衍射效率的影响最大,制备过程中控制好套刻中的对准误差尤为重要[3].3 光学性能测试与分析3.1 焦点测试针对所制备的衍射微透镜阵列,测量了微透镜的焦距.由于氮化镓衍射微透镜阵列的设计焦距为400 μ m,很难实现直接测量焦距,所以,先测量了微透镜的光斑尺寸,然后计算出对应的数值孔径.使用了1个数值孔径为0.25的物镜、1个波长为442 nm的氦镉(He-Cd)激光器和1个紫外电荷耦合器件(CCD).在测量系统中,物镜和CCD的距离保持恒定.根据式1/p+1/q=1/f,物镜和CCD之间的距离q是固定的,物镜的焦距也是个常数.当把衍射微透镜放置于物镜前p处,可以在CCD上得到一张衍射微透镜的清晰图片;然后将衍射微透镜向后挪,直至在CCD上得到清晰的聚焦点.这时衍射微透镜聚焦,而且焦点就在一开始衍射微透镜被放置的p处,微透镜的位移即为焦距.CCD上得到的是一个清晰的被放大的焦点.微透镜的图像与其焦点也被放大了.然而,已经知道微透镜的直径,CCD上则获得被放大的微透镜和焦点的图像.在像和物(微透镜)之间存在着线性关系,可以根据像的尺寸和微透镜的直径获得真正的焦点尺寸[9].微透镜的像和焦点的像的直径分别为 RL和r.微透镜的直径为RO.因此,真正的焦点尺寸D= (r/RL)RO.在分析中,点的尺寸被定义为最大值一半处的宽度.实验中随机抽取微透镜阵列样品中的32个单元透镜进行测试.经过测试、计算和分析,其中,典型的焦点尺寸的分布如图4所示.N为像素数.图4 样品典型的焦点尺寸分布Fig.4 Focus size distribution of sample3.2 衍射效率微透镜的衍射效率是一个重要参数,它是决定微透镜质量的关键,而微透镜的质量又是决定其能否在系统中实际应用的关键,所以,检测衍射效率就成为检测微透镜质量的关键[11-13].图5是用于测量衍射微透镜阵列衍射效率的系统装置图.图5 测试系统装置图Fig.5 Test system setup在理论中,多台阶的衍射效率的表达式为[8]多级量化的衍射微透镜阵列衍射效率取决于台阶数(量化级次)L,量化级次越大,衍射效率越高[14-16].在实际测试中要考虑制备材料的反射和吸收,所以,实际衍射效率η定义为照射到焦面上的探测器实际有效面积上的衍射光能量Ea与扣除平基板反射吸收后的出射平面总光能Ep的比值[7].对制备的衍射微透镜阵列进行测试,理论的衍射效率为94%,实际中测得的衍射效率为87%,其中的偏差主要来自于制备中的对准误差和线宽误差的共同影响[17,18].4 结束语针对紫外焦平面阵列的实际需求,用标量衍射理论设计了中心波长为400 nm的128×1紫外衍射微透镜阵列,研究了紫外微透镜阵列的制备关键工艺技术,提出了一整套以组合多层镀膜与剥离技术为主的制备衍射微透镜阵列的工艺方法.采用组合多层镀膜和剥离的工艺方法制备了8台阶128×1衍射微透镜阵列.实验结果表明,衍射效率超过87%.可以预计,通过紫外微透镜阵列与紫外焦平面阵列单片集成技术来改善紫外焦平面阵列的光学性能是比较理想的.致谢: 本文的工作得到了张宇明,周晟,李榴,沈雨剪,郑秋心等同学的支持和帮助,在此表示衷心感谢.参考文献:【相关文献】[1] WATANABE Wataru, KURODA Daisuke, ITOH Kazuyoshi.Fabrication of Fresnel zone plate embedded in silica glass byfemtosecond laser pulses[J].OpticsExpress,2002,10(19):978-983.[2] WANG M R,SU ser direct-write gray-level mask and one-step etching fordiffractivemicrolens fabrication[J].Applied Optics,1998,37(32):7568-7576.[3] 金国藩,严瑛白,邬敏贤,等.二元光学[M].北京:国防工业出版社,1998:19-54.[4] 姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,1989: 123-145.[5] 李毅.衍射微透镜阵列与红外焦平面阵列单片集成研究[D].武汉:华中科技大学,2000.[6] 杜春雷,安小强,邱传凯,等.二元位相匹配衍射透镜的研究与应用[J].光电工程,1998,25(6):41-45.[7] 李毅,易新建,陈思乡.128×128PtSi红外焦平面用硅衍射微透镜阵列的设计与制备[J].红外与毫米波学报,2000,19(3):197-200[8] 程志军,黄光,何苗,等.8相位256×256衍射微透镜的设计与制备[J].光电子技术与信息.2002,15(1): 32-35.[9] 侯佳宏.氮化镓微光学元件之研究[D].中坜:中央大学,1993.[10] 李毅.衍射微透镜阵列与紫外焦平面阵列单片集成技术[P].中国专利:200710040514,2008-11-12.[11] 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自聚焦平面微透镜的光学特性之成像特性(精)
自聚焦平面微透镜的光学特性之成像特性自聚焦平面微透镜的光学特性之成像特性摘要随着微工程特别是光纤通信的迅猛发展对微小光学器件有巨大需求，微小光学（Microoptics）就是在此背景下发展起来的。
本文简单介绍了自聚焦平面微透镜阵列研制的历史背景、巨大的应用价值及光刻离子交换工艺制作。
在给出了变折射率透镜元件的折射率分布公式以后，本文主要分析了透镜的近轴光学特性，重点推导了，自聚焦平面微透镜的成像特性，最后简要分析了1下其与1般透镜成像特性的区别。
关键字自聚焦平面微透镜折射率分布制作工艺光学特性成像特性One of the optical characters of gradient indexplanar microlens---- the imagingcharacters PuRong( Department of physics , Southwest China University ,chongqing , 400715 , China) Abstract In the paper, firstly , the developing backgrounds , the applied value and the photolithographic ion-exchange technique fabrication of gradient index planar microlens are introduced . And then, after presenting the refractive index distributing formula of the, the paper mainly analyze its paraxial properties, the mathematics expressions of the ray trajectory equation in the component of lens and the imaging characters of the gradient index lens are obtain . In the end , the differences between the imaging characters of gradient index lens and the common lens’ are briefly recited .Key words gradient index planar microlens refractive index distribution technique fabrication optical characters imaging characters 1、引言（前言）众所周知，传统光学元器件的尺寸1般都较大，通常都在毫米量级及以上。
微透镜阵列的飞秒激光加工方法
微透镜阵列的飞秒激光加工方法刘伟【摘要】For the study of micro lens manufacturing methods,the comparison of melting photoresist,reactive ion beam etching technique,micro jet printing method,femtosecond laser processing method and thermal comparison printing concluded that:femtosecond laser machining and the method of local corrosion can be applied to various shapes of micro lens array,with short processing time and low manufacturing cost,and the minimum feature sizes of micro lens can be reached within 30 microns. Conclusion:The femtosecond laser machining of micro lens array as a template, using thermal printing technology to reproduce,can not only obtain good quality micro lens array,but is also suitable for mass production to reduce manufacturing costs.%为研究常用的微透镜制造方法，通过熔融光刻胶法、反应离子束刻蚀技术、微喷打印法、飞秒激光加工法、热压印法等的对比，表明采用飞秒激光加工以及局部腐蚀的方法，能够加工各种形状的微透镜阵列，而且加工时间短，制造成本低，微透镜最小特征尺寸可以达到30μm以内。
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第38卷 第3期中 国 激 光V ol.38,N o.3 2011年3月CHINESE JO URNAL OF LASERS March,2011自写入光波导聚合物微透镜阵列的设计与制作1,3 陈四海2 赖建军2 周一帆2 高益庆1,3李 凤1南京航空航天大学自动化学院,江苏南京2100162华中科技大学光电子科学与工程学院武汉光电国家实验室,湖北武汉4300743南昌航空大学测试与光电工程学院,江西南昌330063摘要 利用聚合物SU 8光刻胶在激光作用下折射率会发生变化的特点,将其作为最后的光学材料,采用光刻胶热熔法和图形转移法,设计并制作了填充因子接近0.75、自写入光波导、六角排列的微透镜阵列。
对阵列的表面形态、三维结构和光学性能分别进行了观察、测试与分析,发现用SU 8胶制作的微透镜阵列外观良好,边缘清晰;自写入光波导微透镜阵列的三维结构良好;波导末梢的光点分布均匀,光强一致性高。
这种自写入光波导的微透镜阵列降低了透镜阵列与探测阵列精确装配的难度,而且其制作工艺流程简单、成本低廉、适合批量复制,这种阵列元件还有质量轻、体积小的特点,有很广的应用前景。
关键词 光学器件;微光学元件;聚合物微透镜阵列;光刻胶热熔法;SU 8胶;自写入中图分类号 O439 文献标识码 A do i:10.3788/CJL201138.0310003Design and Fabrication of Polyme r Microle ns Array withSelf Written WaveguideLi Feng1,3 Chen Sihai2 Lai Jianjun2 Zhou Yifan2 Gao Yiqing1,31College of Au tom a tion En gin eer in g,Nan jin g Un iver sity of Aer ona ut ics a nd Ast r ona ut ics,Na njin g,Jia n gsu210016,Chin a2Wuha n Nat iona l La bor a tor y f or Optoelectr on ics,College of Optoelectr on ic Scien ce a nd En gineer ing,Hu azhon g Un iver sity of S cience an d T echnology,Wu han,Hu bei430074,Chin a3School of Measur in g an d Optical Engin eer in g,N an cha n g Ha n gkon g Un iver sity,Na n cha ng,J ian gxi330063,Chin aAbstract Polymer microlens array with self written waveguides is fabricated with SU 8material whic h is a kind of epoxy based photoresist.Melting photoresist and im age transferring are em ployed to fa bricate the m icrolens array.Because of the melting and attendant expanding process of the photoresist,the actual fill factor of the array exc eeds the design one,which is0.749.SU 8photoresist and glass substrate are separated by a layer of polydimethylsiloxane (PD MS)due to the strong bonding force between them.With the good separation effec t of PDMS film,UV cured SU 8microlens array is obtained without mechanical damage.Profile,performance of the light spots at the end of the self written waveguides and their uniformity are observed and tested.I t is c oncluded that the SU 8mic rolens array with self written waveguides is fine,it images the filament of the m etallographic mic roscope well and its light spots at the end of the waveguide are of high uniformity.By using this polymer microlens a rray,the assembling between the m icrolens array and detector array is expected to be achieved easily.This polymer microlens array has great potentiala pplications in many optoelectronic devices.Key words optical devices;mc iro optica l element;polym er mcirolens array;melting photoresist;SU 8 photoresist;self writtenOCIS co des 160.4670;230.3990;130.3990收稿日期:2010 09 07;收到修改稿日期:2010 11 22基金项目:国家自然科学基金(61072131)、新世纪优秀人才计划(N CET 07 0319)和南昌航空大学科研基金(EC200908228)资助课题。
作者简介:李 凤(1981 ),女,博士研究生,主要从事微纳光电器件方面的研究。
E mail:lf_swnu@ 导师简介:高益庆(1951 ),男,教授,主要从事微纳光电器件、光电信息处理及二元光学等方面的研究。
E mail:gy qniat3@msn.co m中 国 激 光1 引 言微透镜阵列作为微光学的基本元件,在光通信、CCD 和CMOS 图像传感、三维立体成像等领域都得到了广泛应用,主要作用是将入射光信号聚焦在探测阵列、光纤或传感器上,例如与有机发光二极管(OLED)耦合提高其出光效率[1,2],与红外焦平面阵列单片集成提高其填充因子[3,4],产生激光点阵用以并行扫描[5]、集成成像或产生多重像[6,7]等。
为了获得最佳的光信号,探测阵列必须精确位于透镜阵列的焦平面上,存在装配难度高的问题。
聚合物光学材料的迅速发展为制作微光学元件提供了许多新的思路和方法[8~11]。
有一部分聚合物光刻胶在紫外激光的作用下,折射率会发生不可逆的变化,即自聚焦现象,使得其中留下具有明显能束光的波导结构。
SU 8胶(M icr ochem 公司)就是这样一种负性环氧树脂型光刻胶,它对波长在350~400nm 之间的光高度吸收,发生强烈反应后固化,表现出良好的化学稳定性、机械稳定性和热稳定性,适合用来制作高深宽比的三维微结构[12],已经在微机电系统和微光学元件的制作中得到了广泛的应用。
本文用SU 8胶作为最后的光学材料,设计了填充因子接近0.75的微透镜阵列,使用光刻胶热熔法和图形转移法,避免了离子束刻蚀的复杂操作与控制过程,制作出了具有质量轻、体积小、自写入光波导等特点的微透镜阵列,并对其光学性能进行了测试与分析。
这种带有自写入波导结构的微透镜阵列能大大降低与探测阵列的精确耦合难度,只要将探测阵列放在波导末梢所在的二维平面上即可,省去了很多对准工作。
2 聚合物微透镜阵列的掩模设计填充因子是指单位面积内有效微透镜面积的比例,是衡量微透镜阵列性能参数的一个重要指标。
填充因子越高,光信息、光能量的利用率也越高。
图1是圆形微透镜阵列掩模的两种设计方案。
任意两个紧邻的微透镜的圆心之间的距离为D,边缘之间的最小距离为d 。
六角排列的阵列中,任意三个两两紧邻的微透镜的圆心是边长为D 的正三角形的三个顶点。
四方排列的阵列中,任意四个构成最小四方排列的微透镜的圆心是边长为D 的正方形的四个顶点。
根据阵列的周期性,可以推算出六角排列的填充因子 a =D -d 22D 2sin3,四方排列的填充因子 b = D -d 22D 2,且 a > b ,前者是后者的1.15倍,所以,在实验中选择六角排列阵列。
图1(a)圆形微透镜阵列六角排列的掩模,(b)圆形微透镜阵列四方排列的掩模Fig.1(a)M ask w ith cir cular micr olens ar ranged in hex ago n,(b)mask w ith circular micro lens arr ang ed in squar e旋涂在基片上的光刻胶在这样的圆形阵列掩模下曝光显影后,得到的是光刻胶的圆柱阵列,图2(a)给出其中一个圆柱阵列元的轴截面图,H 和R 分别是圆柱阵列元的高和底面半径;热熔后圆柱形结构在光刻胶表面张力的作用下变成球缺结构;图2(b)是热熔后球缺阵列元的轴截面图,H 和R分别是球缺阵列元的高和底面半径。
在按照图1设计掩模时,d 值取得足够小,可以得到很高的填充因子,考虑到热熔后,阵列元的底面积会有所增加,即R >R ,填充因子得到提高的同时,阵列元可能会相遇,破坏微透镜的形成。
因此设计掩模时取D =55 m,d =5 m ,即由直径为50 m 的圆形微透镜李 凤等: 自写入光波导聚合物微透镜阵列的设计与制作通过六角排列组成阵列。
此时, a =0.749。
图2热熔前(a),后(b)阵列元轴截面F ig.2Cro ss section of o ne element o f the ar raybefore (a)and aft er (b)melting3 实 验用聚合物制作光学元件,通常会采用将光刻胶热熔和图形转移相结合的方法[8,9]。
图3给出工艺流程图。
基底选用K9玻璃。