引言
微透鏡陣列是重要的光學器件，因為它們在光學系統、微製造和生物化學系統中有著廣泛的應用。本文介紹了一種利用飛秒鐳射增強化學溼法刻蝕在石英玻璃上大面積製作凹面微透鏡陣列的簡單有效的方法。透過飛秒鐳射原位輻照和氫氟酸刻蝕工藝，在幾個小時內製備出直徑小於100微米的大面積密排矩形和六邊形凹面多層膜。所製備的多層膜顯示出優異的表面質量和均勻性。與傳統的熱迴流工藝相比，本方法是一種無掩模工藝，透過調整脈衝能量、噴射次數和蝕刻時間等引數，可以靈活控制多層膜的尺寸、形狀和填充圖案。
實驗
矩形和六邊形填充的凹面多層膜透過三步工藝製造。最初，在拋光的石英玻璃晶片(10 ×10×1 mm3)上使用30-fs和800nm鐳射脈衝以1 kHz的重複頻率(鐳射源是鈦:藍寶石脈衝鐳射振盪器-放大器系統)誘導直徑為幾微米的燒蝕誘導坑。飛秒鐳射由於其熱損傷和衝擊波誘導的損傷可忽略不計的優點，當被物鏡聚焦時(NA = 0.5)，可以容易地在透明材料如二氧化矽玻璃上產生凹坑，而不會產生熔化噴射和裂紋，這將影響所製造的微透鏡的形態。焦斑的直徑約為1.4 m (1/e)。脈衝能量可以透過可變中性密度濾光器來改變，拍攝的次數由快門來控制。參考文獻[20]中提供了此處使用的設定的更多細節。隨後，在23℃的超聲波浴輔助下，在5%氫氟酸溶液中處理帶有凹坑的樣品。在此過程中，鐳射誘導的凹坑中的化學蝕刻速度加快，並開始形成凹球面；因此，多層膜是在幾十分鐘內製成的。最後，樣品分別在丙酮、乙醇和去離子水中透過超聲波浴清洗15分鐘，並在環境空氣中乾燥。矩形和六邊形多層膜所採用的工藝引數，包括脈衝能量E、注射次數N、化學蝕刻時間τ和相鄰微透鏡之間的距離L，列於表1中。
結果和討論
在實驗中，整個製作過程由一個裝有電荷耦合器件照相機的光學顯微鏡監控。圖2顯示了從鐳射誘導彈坑陣列變化而來的矩形和六邊形多層膜的演化。開始時，各向同性化學蝕刻發生在鐳射處理的點中，產生矩形或六邊形，圖案中的圓形凹陷結構，其可以用作圓形多層膜。然後，圓形微透鏡的孔徑隨著化學蝕刻而逐漸擴大，最終，相鄰的微透鏡彼此“重疊”，導致四方和六邊形微透鏡的形成。證明了微透鏡的填充圖案和形狀可以容易地透過鐳射照射點的排列和化學蝕刻時間來控制。製作的矩形和六邊形多層膜的面積分別約為3 × 3 mm2和1.5 × 1.5 mm2，整個加工時間約為3小時，比LDW工藝更有效。圖3(a)和3(b)分別顯示了矩形和六邊形多層膜的掃描電鏡影象。它們直觀地表達了多層膜優異的表面質量和均勻性。
為了評估多層膜的焦距，如圖5所示，建立了一個由氦-氦鐳射器(633奈米)、計算機控制的載物臺、透鏡和電荷耦合器件照相機組成的光學系統fexp。沿著平行於鐳射束(z軸)的方向移動計算機控制的載物臺，可以透過由電荷耦合器件照相機捕獲的影象來確定頂面和焦點的位置。
圖6顯示了矩形[圖6(a)]和六邊形MLAs[圖6(b)]的成像能力。利用聚焦飛秒鐳射脈衝在玻璃基100奈米金薄膜上製作了一個帶有字母“FE”的掩膜。然後將它插入鎢光源和多層反射鏡之間。因此，如圖6所示，透過放置在多層透鏡另一側的物鏡(NA = 0.3)和電荷耦合器件照相機捕獲減少的假影象。
圖9顯示了微透鏡的輪廓對脈衝能量E和拍攝次數n的影響。這裡，D和h也是從用5% HF溶液處理120分鐘的10個微透鏡獲得的平均值。我們可以看到，微透鏡的D和h隨著E的增加而增加，分別如圖9(a)和9(b)所示，但它們並不強烈依賴於N，N存在於圖9(c)和9(d)中。這些微透鏡的曲率半徑由公式計算。(1)及其對E和N的依賴性在圖9(e)和9(f)中標出並擬合。R的最大值傾向於在中間脈衝能量(3.0-4.5 J)下獲得，如圖9(e)所示。這是由於D和h對E的增加幅度不同造成的，以N = 1000為例，見圖9(a)和9(b)，當E = 0.36 J時，製作的微透鏡孔徑約為45 m，而E增加到7.39 J，D相應增加到約90 m，因此D的增加幅度約為100%。然而，根據等式，h的該值約為400%。(1)，當E約為3.5 J時，得到N = 1000的最大R，另一方面，當拍攝次數大於1000時，D和h的值逐漸達到飽和，分別如圖9(c)和9(d)所示。因此，如圖9(f)所示，微透鏡的曲率半徑與N幾乎沒有關係。值得一提的是，氮的增加有利於減少鐳射脈衝之間能量不穩定性的影響，提高多層膜的均勻性，但也會增加加工時間。在我們的實驗中，採用的拍攝次數N = 500是一個最佳化值。
