一种曲面光栅的加工装置及制备方法

1.本发明涉及微纳加工技术领域，具体涉及一种曲面光栅的加工装置及制备方法。


背景技术：

2.光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。基于狭缝衍射原理，光栅在光谱仪、光信息处理、光通信和精密测量等领域有着广泛的应用。根据光栅基底的类型可将光栅分为平面光栅和曲面光栅，相对于平面光栅，曲面光栅元件不仅可以实现衍射色散，同时还能具有散射、聚焦等功能，从而可以提高光栅光学性能，因此曲面光栅具有更广泛的应用。如在offer光谱仪中采用凸曲面光栅以减少所需光学元件，或通过凹曲面光栅提高光栅衍射分辨率、改变衍射光的路线。此外随着设备小型化需求的发展，小曲面光栅其已成为人工复眼、电子眼相机、微型干涉仪，手持光谱仪等应用中不可缺少的理想光学元件。
3.曲面光栅的制作工艺一般包括机械刻划法、全息光刻法、电子束光刻法、全息离子束刻蚀法、纳米压印法等。机械刻划法，受限于刀具和设备精度，难以制作出高精度的曲面光栅。全息光刻法可以通过两个平面光束的干涉在衬底上产生精确的光栅结构，然而该方法只适合在平坦的或者极小曲面的基底上制作，并且工艺复杂难以广泛应用。daniel w.wilson等人(recent advances in blazed grating fabrication by electron
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beam lithography)通过电子束光刻法制作了曲面光栅，然而该方法只使用于小曲面基底，且由于电子束光刻机本身的限制，还存在成本高、产量低等缺点。全息离子束刻蚀法可以在较大曲率的曲面上制作了闪耀光栅结构，然而该种加工工艺及其复杂，制造成本高。纳米压印法是将光栅结构转印到了曲面光刻胶上，但是该方法需要复杂的真空吸附变形系统，且制作的光栅结构是在光刻胶上，不利于保存、清洗和长期使用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种曲面光栅的加工装置及制备方法，相对于真空吸附变形系统，该装置易于组装、成本低，易于操作。本发明曲面光栅的加工装置中利用透镜对pdms(聚二甲基硅氧烷)曲面光栅挤压变形后，在圆柱筒中添加聚氨酯丙烯酸酯(pua)溶液，采用pua溶液记录pdms光栅的曲面变形，得到pua曲面光栅，再以圆柱筒中的pua曲面光栅为模板，制备pdms曲面光栅。本发明的曲面光栅的制备方法简单易操作，且pua可多次重复利用，因此可大量制作曲面光栅结构。
5.为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种曲面光栅的加工装置，包括平移台、pdms夹具、透镜、透镜控制装置、圆柱筒、圆柱筒控制装置；所述pdms夹具固定于平移台上方，用于夹持pdms光栅模板；所述平移台用于移动pdms光栅模板；所述透镜位于pdms夹具下方；所述透镜控制装置用于移动透镜，使透镜与pdms光栅模板接触使其变形；所述圆柱筒位于pdms夹具上方，用于装置pua溶液以制备pua曲面光栅；所述圆柱筒控制装置用于移动圆柱筒。
7.进一步的，所述圆柱筒控制装置通过圆柱筒夹具与圆柱筒相连。
8.进一步的，所述平移台包括左平移台和右平移台；所述pdms夹具包括左pdms夹具和右pdms夹具。
9.第二方面，本发明提供一种曲面光栅，包括以下步骤：
10.步骤1：制作原始光栅模板；
11.步骤2：制作pdms光栅模板；
12.步骤3：采用上述曲面光栅的加工装置对pdms光栅曲面变形，采用pua溶液记录pdms光栅的曲面变形，得到pua曲面光栅；
13.步骤4：以pua曲面光栅为模板，制作pdms曲面光栅。
14.进一步的，所述原始光栅模板采用本领域技术人员常用的工艺方法制备，包括但不限于全息光刻、电子束光刻离子刻蚀、湿法刻蚀和掩模版曝光法。
15.进一步的，步骤2的具体方法为：
16.步骤2.1：配制pdms溶液一；
17.步骤2.2：将pdms溶液一倒入原始光栅模板上，加热固化后冷却。
18.进一步的，步骤2.1中pdms溶液一为pdms和固化剂的混合溶液，pdms与固化剂的比例为15:1。
19.进一步的，将pdms溶液一倒入原始光栅模板前，先将原始光栅模板置于模具盒内。以便获得厚度一致的pdms光栅模板。
20.进一步的，步骤2.2中所述加热固化为以45℃预热30min，再以60℃加热30min，最后以90℃加热1h。采用不同温度分段加热固化可以防止气泡产生。
21.进一步的，步骤3的具体方法为：
22.步骤3.1：使用pdms夹具夹持pdms光栅模板，控制平移台移动pdms夹具，使pdms光栅模板处于拉伸状态；
23.步骤3.2：使用透镜控制装置移动透镜，使透镜接触pdms光栅模板后继续上升，直至pdms光栅模板变形出曲面；
24.步骤3.3：使用圆柱筒控制装置移动圆柱筒，使其接触pdms光栅模板，将pua溶液倒入圆柱筒内，保证pua溶液液面高于pdms光栅模板变形出的曲面最高点；
25.步骤3.4：置于紫外光源下固化。
26.进一步的，紫外光源下固化时间不小于15min。
27.进一步的，步骤4的具体方法为将pdms溶液二倒入pua曲面光栅上，加热固化后，自然冷却分离即可。
28.进一步的，步骤4中将pdms溶液二倒入中间pua曲面光栅前，还包括对pua曲面光栅表面处理的步骤，具体为采用溅射离子镀膜法在pua曲面光栅上镀金属膜。可以有效防止pdms溶液二与pua互溶问题；同时通过镀膜，可以形成反射pua曲面光栅，该pua曲面光栅也可单独作为光学元件使用。
29.进一步的，pdms溶液二为pdms和固化剂的混合溶液，pdms与固化剂的比例为10:1。
30.进一步的，所述金属膜为厚度15nm的铬和厚度30nm的金。
31.第三方面，本发明提供一种曲面光栅，采用上述曲面光栅的加工装置或曲面光栅制备。
32.本发明的有益效果为：
33.(1)本发明曲面光栅的加工装置中利用透镜对pdms曲面光栅挤压变形后，在圆柱筒中添加pua溶液，采用pua溶液记录pdms光栅的曲面变形，得到pua曲面光栅，再以圆柱筒中的pua曲面光栅为模板，制备pdms曲面光栅。本发明提供的曲面光栅的加工装置，无需真空吸附变形系统，所述加工装置易于组装、成本低，易于操作。
34.(2)本发明提供的曲面光栅的制备方法简单易操作，得到的pua曲面光栅可多次重复利用，适合大面积生产，可大量制作曲面光栅结构。该制备方法不仅可以制作大曲面，大曲率的光栅结构，若通过其他工艺预先制作出其他类型的pdms光栅模板(如闪耀光栅)，也可以通过本发明制作成相应的曲面光栅，如曲面闪耀光栅。
35.(3)根据应用需求不同，本发明既可以实现凹面光栅的制作、也可以实现凸面光栅的制作。
附图说明
36.图1是本发明实施例1提供的曲面光栅的加工装置结构图；
37.图2是本发明制备的原始光栅模板结构示意图；
38.图3是本发明制备的pdms光栅模板结构示意图；
39.图4是本发明实施例2中采用pua溶液记录pdms光栅的曲面变形后，圆柱筒内a
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a截面图；
40.图5是本发明实施例2中得到的pua凹曲面光栅在圆柱筒内a
‑
a截面图；
41.图6是本发明实施例2中以pua凹曲面光栅制备pdms曲面光栅在圆柱筒内的a
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a截面图；
42.图7是本发明实施例2制备的pdms凸曲面光栅示意图。
43.图中，1
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平移台，2
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pdms夹具，3
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透镜，4
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透镜控制装置，5
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圆柱筒，6
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圆柱筒控制装置，7
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圆柱筒夹具，8
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pdms光栅模板，9
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pua曲面光栅，10
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pdms曲面光栅，11
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左平移台，12
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右平移台，21
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左pdms夹具，22
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右pdms夹具。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明实施例中所用聚氨酯丙烯酸酯，购自上海引昌新材料有限公司，型号为yc3100；
46.本发明实施例中所用pdms为美国道康宁公司生产的sylgard184型硅橡胶。
47.本发明实施例中所用固化剂为本领域技术人员常用的固化剂即可，本发明不做特别限定。
48.实施例1
49.如图1所示，一种曲面光栅的加工装置，包括平移台1、pdms夹具2、透镜3、透镜控制装置4、圆柱筒5、圆柱筒控制装置6；所述pdms夹具2固定于平移台1上方，用于夹持pdms光栅模板；所述平移台1用于移动pdms光栅模板；所述透镜3位于pdms夹具2下方；所述透镜控制
装置4用于移动透镜3，使透镜3与pdms光栅模板接触使其变形；所述圆柱筒5位于pdms夹具2上方，用于装置聚氨酯丙烯酸酯(pua)溶液以制备pua曲面光栅；所述圆柱筒控制装置6用于移动圆柱筒。
50.所述圆柱筒控制装置通过圆柱筒夹具7与圆柱筒相连。
51.所述平移台1包括左平移台11和右平移台12；所述pdms夹具2包括左pdms夹具21和右pdms夹具22。
52.实施例2
53.一种曲面光栅，包括以下步骤：
54.步骤1：制作原始光栅模板；
55.(1)取一片表面平整的石英玻璃作为基体，将石英玻璃用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤20min除去水汽和残余丙酮。自然冷却后，放入灰化机中灰化一小时以增强其表面粘附力。
56.(2)对石英玻璃基体进行掩膜版式曝光。所用的光刻胶型号是az5530，将原光刻胶经过环戊酮以体积比2:1的方式稀释。将稀释后的光刻胶均匀滴在石英玻璃片上后，以800转/分钟的转速匀胶10秒，紧接着1500转/分钟的转速匀胶40秒，此时光刻胶厚约1.6μm；随后将其置于90℃烘箱中15分钟，以完全去除多余溶剂。所用掩膜版是镀铬掩膜版，其光栅为100线/毫米(即周期为10微米)，占空比为1:1。将掩膜版镀铬面贴紧光刻胶后，进行紫外曝光，曝光时间55秒，波长365nm。
57.(3)曝光后将石英玻璃基体置于质量百分比为2.5
‰
naoh溶液中显影，显影时长约为2分钟；显影完成后制得密度为100线/毫米、占空比为1:1、深度约为1.6微米的光刻胶光栅图案。
58.(4)显影完成后通过去离子水冲净，并氮气吹干，至于烘箱中90℃烘烤20分钟，除去水汽。制备的原始光栅模板示意图如图2所示。
59.步骤2：制作pdms光栅模板；
60.步骤2.1：配制pdms溶液一：将sylgard 184型硅橡胶与固化剂按照15:1的比例进行充分混合，放置真空箱内抽真空除去气泡；若pdms溶液一中sylgard184型硅橡胶与固化剂的比例为其他比例，如10:1，会造成弹性不佳，透镜无法使得pdms光栅完美变形，无法制备表面光滑的pdms曲面光栅。
61.步骤2.2：将原始光栅模板置于模具盒内，将pdms溶液一倒入原始光栅模板上，待液面平整后，在热烘台上以45℃预热30min，再以60℃加热30min，最后以90℃加热1h。pdms光栅模板如图3所示。
62.步骤3：采用实施例1的曲面光栅的加工装置对pdms光栅曲面变形，采用pua溶液记录pdms光栅的曲面变形，得到pua曲面光栅；
63.步骤3.1：使用pdms夹具夹持pdms光栅模板，控制平移台移动pdms夹具，使pdms光栅模板处于轻微拉伸状态；
64.步骤3.2：使用透镜控制装置移动透镜，本实施例中透镜尺寸为直径35mm，焦距25mm，使透镜接触pdms光栅模板后继续上升，直至pdms光栅模板变形出曲面；
65.步骤3.3：使用圆柱筒控制装置移动圆柱筒，使其接触pdms光栅模板，将pua溶液倒入圆柱筒内，保证pua溶液液面高于pdms光栅模板变形出的曲面最高点；
66.步骤3.4：置于紫外光源下固化15min；得到的pua凹曲面光栅。
67.步骤4：采用溅射离子镀膜法在pua凹曲面光栅9上镀上厚度为15nm的铬和厚度30nm的金的薄膜；通过自然蒸发的方式再在pua凹曲面光栅上形成一层三甲基氯硅烷膜，便于后续剥离；将pdms溶液二(sylgard 184型硅橡胶与固化剂以10:1混合)倒在pua凹曲面光栅上，置于烘箱里以45℃预热30min，再以60℃加热固化30min，最后以90℃加热固化2h，得到pdms曲面光栅10。
68.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。