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《吉林大学》 2012年
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微光学元器件的激光微纳制备及性能表征

林晓锋  
【摘要】:飞秒激光微加工技术是一种激光直写式技术,它具有加工精度高、工序简单、对加工对象几何复杂性容忍度大等优势,最为适用于加工微小物体,如微光学元器件、微机械等等。随着光通信、光计算等技术的发展,光学微处理系统对各类微光学元器件的需求越来越大,而光学元器件往往具有特殊的表面用以对光波进行调制,对这些光学元器件的加工迫切需要一种对结构复杂性敏感度较低,同时加工精度较高的微加工技术。另外,将微光学与微机械学联系起来的光驱动微型转子因其免机械接触的灵活操控性在生物技术、医学分析等领域有着重要的应用价值,而光刻、压印、自组装等现有微加工技术在高效率光驱动微型转子的制备上面临极大挑战。面对以上这些问题,本论文对高精度微光学、微机械学元器件的的设计和无掩模激光直写制造,以及光驱动微型转子的光机转换效能进行了系统的深入研究,取得了如下研究成果:1)通过对飞秒激光诱导高分子材料的光聚合过程的深入研究,提高了激光微加工的空间分辨率,并大幅度提高了制备效率,制备出相位型微型分束器件达曼光栅,并得到了比其它激光微加工方法制备的同类器件更高的衍射效率。另外,还发明了一种利用浮力-表面张力作用的微小透镜制造技术。2)实现了具有大焦深等特殊光学性质的微型折射型对数轴像体,得到了良好的成像效果,同普通微光学元件相比无畸变成像焦深得到极大提升。3)设计并制造了具有螺旋面叶片的光驱动微型转子。将可以有效旋转的微型转子尺寸提高了一个数量级,直径最高可达50μm。同时测得这种大尺寸光驱动微型转子的最高转速可超过500rpm。以光子角动量传递均值表征的光能-机械能转换效率最高可达34.55/photon,远高于现有报道数值。 本文的研究工作首先着眼于一种准三维结构的相位型衍射光学元件——微型达曼光栅的加工。达曼光栅是一种具有较为复杂周期性结构的衍射光学元件,在透镜的配合下,它可将入射光束劈裂为一组相干光束,无论入射光是否相干。它的这一特点使其可应用于阵列照明光源发生器件、多重成像技术、星形耦合器等等。我们将飞秒激光微加工技术应用于微米量级达曼光栅的制造,制造出的一系列具有不同劈裂效果的微小达曼光栅在自创浮法技术制得的傅里叶透镜的配合下都展现出了良好的光束劈裂效果,衍射效率要高于其它激光微加工方法制备的同类器件,同时加工精度大大提高,加工时间大大降低。这一工作不仅有力的证明了达曼光栅微型化的可行性,展示了其应用于微型光学系统的潜力,而且突出了利用飞秒激光微加工技术制造达曼光栅相对于传统技术(如平面光刻技术)的优势:无须昂贵、加工复杂的掩模板;设计灵活、加工时间短、效率高。 之后,我们设计并加工了具有更为复杂表面形貌的三维折射型微光学元件——非球面表面的微透镜。微透镜通常指的是直径小于1mm的小型透镜。在现代光学设备中,它的应用十分广泛,从光纤耦合到激光整形不一而足,正因如此,对其加工手段的研究在几十年的时间里已有非常丰富的成果。然而,利用飞秒激光微加工技术来进行微透镜加工的研究还屈指可数,这种技术在微透镜及其阵列的加工制造上的优势体现在对可改善光学性能的各种复杂修正曲面的加工上。我们推导了一种在几何光学条件下理论上能对平行光束进行完美聚焦的双曲面微透镜方程,并在优化了加工技术参数和加工策略后成功加工出了具有双曲面表面的微透镜,并对它的光学性能和表面形貌进行了测试和验证,得到了良好结果。 我们随后进一步尝试了具有更为复杂表面的折射型微光学元件-微型对数轴像体的加工制造,它是一种表面为对数曲线旋转面的光学元件,可将平行于其光轴的光束汇聚到光轴上某一范围内,且在这一范围内光强均匀分布。与普通透镜相比,对数轴像体具有很大的焦深,这个特性使它对物体所成的像在很大的范围内几乎保持不变,这在成像系统中是很有用的一个性质,可改善成像稳定性及提高景深。在光学操纵技术中,大焦深对于捕获微小物体也是极为有利的一个性质。我们研究了利用飞秒激光微加工技术对微型对数轴像体的加工制造,测试了加工出的微型对数轴像体的光学性能,结果表明微型对数轴像体具有宏观对数轴像体应有的光学特性,这使得微成像系统等光学系统有了性能得到更大提升的潜力。 除了微光学元器件的加工,我们还利用飞秒激光微加工技术研究了微型转子的光驱动问题。光驱动微型转子是光操纵技术中一个结合微光学与微机械学的交叉领域。但在将近二十年的发展中多数研究都停留在如何让转子旋转起来上,而在光能到机械能的转化研究上稍显不足。这主要是由于加工技术的限制使得人们不能随心所欲的设计高效的机械结构。在我们的研究工作中,我们设计并制造了一种结构复杂的三维微型转子,并对它的光学驱动进行了参数依赖测试,测得最大转速可超过500rpm,另外对其驱动机理做了理论和实验的动力学分析,此外还研究了其以光子角动量传递均值表征的光能-机械能转换效率,实验测算值最大可达34.55/photon,远高于现有报道数值。另外,这种三维微型转子尺寸比现有报道的转子尺寸大一个数量级,这为微流体的引流、泵浦、混合提供了一种作用范围更大效率更高的微型设备。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN249;TN605

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