專利名稱：面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及達(dá)曼光柵，特別是一種面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法。
背景技術(shù)：
達(dá)曼光柵是非常重要的一種光學(xué)元件，被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)測量、集成光學(xué)、光通信和光信息處理等領(lǐng)域。面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵主要采用微電子工藝制造，成本高，不適合大批量的生產(chǎn)。將微結(jié)構(gòu)光柵制造技術(shù)和微結(jié)構(gòu)復(fù)制技術(shù)相結(jié)合，是一條低成本批量生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的有效方法。
目前面浮雕微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件的復(fù)制技術(shù)主要有熱壓(hot embossing)，注塑成型(injecting moulding)，鑄造與紫外復(fù)制(casting and UV-embossing)和溶膠-凝膠(sol-gel)幾種方法。
以上幾種方法通常需要在原始面浮雕結(jié)構(gòu)上用電鍍的方法形成一種金屬復(fù)制工具，大部分為制造復(fù)制工具的微結(jié)構(gòu)所使用的電鍍過程都是由電鍍鎳來實現(xiàn)的。這種工藝的基本操作步驟如下原版的表面通常是一種非導(dǎo)電材料，首先，必須鍍上一層薄金屬層，為隨后的電鍍形成導(dǎo)電層，然后導(dǎo)電基板在鎳電鍍槽中進(jìn)行電鍍產(chǎn)生一個耐用的鎳復(fù)制品，該復(fù)制品可以毫無損傷地與原版脫離。
熱壓(hot embossing)就是指用沖壓機、滾壓機或者稱之為往復(fù)式的復(fù)制系統(tǒng)將表面浮雕微結(jié)構(gòu)熱壓在熱塑性的薄片中。典型的聚合物包括聚氯乙烯(polyvinyl)聚碳酸酯(polycarbonate，簡稱為PC)。通常的做法是將鎳模板和聚碳酸酯(PC)片放置在一塊玻璃平板上，在加壓的條件下加熱至遠(yuǎn)高于塑料的軟化溫度Tg之上，當(dāng)除去壓力并冷卻至Tg溫度以下時，塑料膠片就可以和鎳模版相分離，得到平面微結(jié)構(gòu)的復(fù)制品。這種技術(shù)尤其適用于復(fù)制淺型微結(jié)構(gòu)和無特征尺寸要求、無需高縱橫比的深型結(jié)構(gòu)。
注塑成型(injecting moulding)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于消費領(lǐng)域和工業(yè)塑料元件的大規(guī)模生產(chǎn)中，是指被熔化的塑料在高壓條件下，在一個含有被復(fù)制的浮雕微結(jié)構(gòu)的溫控模具內(nèi)逐步成型，塑料被取出之前在模具中冷卻和固化，形成高保真度的微結(jié)構(gòu)復(fù)制品。最常用的材料是聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。這種技術(shù)可以生產(chǎn)高分辨率的復(fù)制品，以及在冷卻后就可使復(fù)制后的塑料與模具分離，適合亞微米和深浮雕特征的高精度復(fù)制，但一般來說不能夠同時滿足許多衍射光學(xué)元件微結(jié)構(gòu)對高分辨率和深微結(jié)構(gòu)的要求。
鑄造和紫外復(fù)制(casting and UV-embossing)，是指將樹脂涂于模板表面，然后使其凝固，分離得到復(fù)制品的方法。紫外復(fù)制技術(shù)是通過紫外輻射固化，將鑄造技術(shù)與快速固化相結(jié)合的一種技術(shù)。復(fù)制的基本方法為鎳板鍍上一層薄的紫外固化材料(光敏膠)，并且將它面對玻璃基板放置，隨后被加壓固化，并在固化后分離，使微結(jié)構(gòu)復(fù)制在基板上的薄的聚合物模層內(nèi)。鎳板上可以噴涂一層分離膜，以幫助分離。這種技術(shù)特別適合于高分辨率和深微結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制。
溶膠凝膠(sol-gel)法是指表面浮雕微結(jié)構(gòu)復(fù)制在SiO2基底材料上的一種復(fù)制方法。這種方法首先將微光學(xué)元件母版用傳統(tǒng)的復(fù)制方法復(fù)制在塑料材料中，這種塑料元件就成為sol-gel復(fù)制工藝的模子，然后用sol-gel技術(shù)將模子結(jié)構(gòu)復(fù)制到SiO2材料中。其工藝過程包括混合、澆鑄、凝膠、老化、干燥和密化六個工序。這種方法的最主要優(yōu)點就是能將微結(jié)構(gòu)復(fù)制到SiO2這種理想的光學(xué)材料中，而且復(fù)制表面結(jié)構(gòu)尺寸范圍很寬，其特征尺寸可以從毫米到亞微米范圍，并且能復(fù)制多種復(fù)雜的表面，包括凹凸面、非球面、閃耀面、多臺階面等。
壓印(imprint)技術(shù)是由Whiteside等提出并發(fā)展起來用于制造微米到納米量級的微結(jié)構(gòu)的一種方法。聚二甲基硅氧烷(以下簡稱聚二甲基硅氧烷)由于具有低的自由表面能，易和其它材料分離而且分辨率高，在壓印技術(shù)中常用來作為模具材料。Whitesides等人利用聚二甲基硅氧烷作模具制造了均勻線寬周期性的一維表面浮雕結(jié)構(gòu)參見在先技術(shù)Whitesides etal.，Science，273，347(1996)。但是Whitesides等人是利用制作在硅襯底光刻膠上的浮雕結(jié)構(gòu)作為模版。由于光刻膠的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較差，工作波長有一定的限制，而且光刻膠的硬度較小和襯底的粘著力不強，光刻膠容易和硅襯底脫離，所以在制作聚二甲基硅氧烷模具時工藝較難控制，并且所復(fù)制的微結(jié)構(gòu)直接制作在聚亞安酯(PU)類的光敏聚合物材料上，這類材料硬度較小，容易變形。由于模版是制作在硅襯底上的光刻膠上和復(fù)制材料與模版材料的折射率相差較大，這種制作方法并不能用來復(fù)制透射性的光柵結(jié)構(gòu)。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的不足可歸納如下
首先，現(xiàn)有的復(fù)制方法大都需要制造一個金屬模子，需要在玻璃光柵上鍍一層金屬膜，然后再電鍍一個鎳模子，制造模子的工藝復(fù)雜，造價高，而且制造周期也很長。
其次，熱壓和注塑成型復(fù)制方法需要專用的復(fù)制設(shè)備，而且復(fù)制中需要高溫高壓，對于小的特征尺寸和高的縱橫比的深型微結(jié)構(gòu)很難能作到精確復(fù)制。
第三，復(fù)制用材料，熱塑性塑料的折射率和玻璃的折射率相差較大，復(fù)制后的光柵和原光柵的光學(xué)特性不完全一致。鑄造與紫外復(fù)制雖然復(fù)制材料采用和玻璃非常接近的紫外膠，但是仍然采用金屬作為模具，工藝復(fù)雜，成本較高。溶膠凝膠方法工藝更加復(fù)雜，而且溶膠凝膠材料高的收縮率一直無法很好的解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，該方法應(yīng)具有工藝簡單、成本低、制造周期短和可以大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，其特點是利用聚二甲基硅氧烷制作面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵模具，紫外膠作為復(fù)制材料，利用壓印技術(shù)將面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵復(fù)制在玻璃基板上的紫外膠上。
所述的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，包括下列具體步驟①將需要復(fù)制的表面無灰塵、無油污的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵放入塑料培養(yǎng)皿中，光柵面朝上；②將混合好的聚二甲基硅氧烷倒入該培養(yǎng)皿中，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度控制在3～5mm。
③熱固化聚二甲基硅氧烷薄膜，固化溫度在25℃到100℃之間，固化完全后，沿著光柵槽的方向從一側(cè)揭起該聚二甲基硅氧烷薄膜，使其和達(dá)曼光柵分離，得到一個和原面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵表面形貌相反的聚二甲基硅氧烷模具；④選用粘滯系數(shù)小于500厘泊，硬度大于7的紫外膠滴在一玻璃基板的表面，將所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直輕壓在所述的紫外膠的表面，靜置幾分鐘后，該紫外膠完全充滿所述的聚二甲基硅氧烷模具的溝槽后，放在紫外光下固化；⑤固化完全后，沿著光柵槽的方向從一側(cè)揭起所述的聚二甲基硅氧烷模具，使其和紫外膠分離，在所述的玻璃基板上的紫外膠上得到所需要的復(fù)制的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵。
本發(fā)明的技術(shù)效果以下第一，本發(fā)明所要復(fù)制的母光柵采用玻璃制造，采用聚二甲基硅氧烷作模具，玻璃(或石英)由于具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)和良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，玻璃(或石英)襯底的微結(jié)構(gòu)光柵正受到越來越大的重視，而且利用濕法(或干法)腐蝕方法，可以得到深刻蝕的高密度微結(jié)構(gòu)光柵。由于玻璃的硬度較大，所以在制作聚二甲基硅氧烷時工藝比較容易控制，浮雕形貌控制較好，所以開發(fā)玻璃襯底的微結(jié)構(gòu)光柵復(fù)制方法具有重要的實際意義。一維達(dá)曼光柵是具有非均勻線寬的面浮雕微結(jié)構(gòu)，二維達(dá)曼光柵是具有方型島狀的面浮雕結(jié)構(gòu)，利用壓印技術(shù)可以精確的復(fù)制出具有非均勻線寬和方形島狀浮雕結(jié)構(gòu)的達(dá)曼光柵。
第二，復(fù)制的光柵是制作在玻璃基板上的紫外膠上的，由于紫外膠的折射率和玻璃非常接近，而且具有良好的光學(xué)性能，所以復(fù)制光柵和母光柵具有非常相似的光學(xué)性能。
第三，采用玻璃作為基底材料，利用紫外膠和玻璃很強的粘著力以及玻璃很高的硬度，便于光柵的復(fù)制。
第四，光柵復(fù)制是降低光柵制造成本，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的理想途徑。由于本發(fā)明方法相與現(xiàn)有的其它方法相比，具有工藝簡單、成本低、制造周期短和可以大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的實施例1，1×6一維達(dá)曼光柵示意2為本發(fā)明的實施例2，8×16的二維達(dá)曼光柵示意圖具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，包括下列步驟
①將需要復(fù)制的表面無灰塵、無油污的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵放入塑料培養(yǎng)皿中，光柵面朝上；②將混合好的聚二甲基硅氧烷倒入該培養(yǎng)皿中，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度控制在3～5mm。
③熱固化聚二甲基硅氧烷薄膜，固化溫度在25℃到100℃之間，固化完全后，沿著光柵槽的方向從一側(cè)揭起該聚二甲基硅氧烷薄膜，使其和達(dá)曼光柵分離，得到一個和原面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵表面形貌相反的聚二甲基硅氧烷模具；④選用粘滯系數(shù)小于500厘泊，硬度大于7的紫外膠滴在一玻璃基板的表面，將所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直輕壓在所述的紫外膠的表面，靜置幾分鐘后，該紫外膠完全充滿所述的聚二甲基硅氧烷模具的溝槽后，放在紫外光下固化；⑤固化完全后，沿著光柵槽的方向從一側(cè)揭起所述的聚二甲基硅氧烷模具，使其和紫外膠分離，在所述的玻璃基板上的紫外膠上得到所需要的復(fù)制的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵。
實施例1我們利用聚二甲基硅氧烷(聚二甲基硅氧烷，Sylgard184，Dow Coring)來制作光柵模具，先把聚二甲基硅氧烷主劑和固化劑按照重量比為10∶1的比例混合，攪拌均勻，如果產(chǎn)生氣泡則需要經(jīng)過真空脫泡處理，真空脫泡的時間取決于攪拌過程中混入的氣泡量；脫泡完成后把聚二甲基硅氧烷均勻的涂覆在達(dá)曼光柵的表面，然后室溫固化48個小時或者高溫固化，高溫固化可以減少固化時間，我們在90℃下固化一小時，待聚二甲基硅氧烷完全固化后，聚二甲基硅氧烷和達(dá)曼光柵可以很容易地分離。
得到聚二甲基硅氧烷模具后就可以把達(dá)曼光柵復(fù)制到紫外膠上，我們使用低粘度系數(shù)的紫外膠(NOA61，Norland)作為復(fù)制光柵的材料，粘度系數(shù)為300厘泊，硬度為8。先在干凈的玻璃基片上滴一滴NOA61，把所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直壓印在NOA61膠的上面，待其完全充滿模具的溝槽后放在70W的汞燈下固化，固化時間為20分鐘，當(dāng)NOA61膠完全固化后就可以容易地分離聚二甲基硅氧烷模具，得到復(fù)制達(dá)曼光柵。
圖1給出了本發(fā)明的實施例1，1×6一維達(dá)曼光柵的示意圖，光柵周期是50μm，浮雕深度為0.576μm。
圖2為本發(fā)明的實施例2，8×16的二維達(dá)曼光柵的示意圖，在8和16光點方向上的周期分別為250μm和500μm，浮雕深度為0.528μm。
由于達(dá)曼光柵具有非均勻的線寬和方形島狀浮雕結(jié)構(gòu)等特點，面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制技術(shù)中，壓印技術(shù)尤其是紫外壓印技術(shù)有其獨特的優(yōu)點。其一，聚二甲基硅氧烷模具的制作相對于金屬模具的制作工藝要簡單的多，而且分辨率也要遠(yuǎn)高于金屬模具；其二，復(fù)制過程中不需要高溫高壓的條件，不需要專門的加工設(shè)備，造價低；其三、紫外膠的折射率和玻璃的折射率非常接近，對于復(fù)制玻璃基底的面浮雕微結(jié)構(gòu)更有其獨特的優(yōu)點；其四、制作周期短，紫外膠的固化時間短，通常幾分鐘的時間就能固化完全。總之，壓印技術(shù)復(fù)制面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵具有精度高、工藝簡單、造價低、可以大規(guī)模制造等優(yōu)點，在達(dá)曼光柵的制造中有很重要的應(yīng)用。特別是本發(fā)明的利用紫外壓印技術(shù)復(fù)制面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵，充分利用了聚二甲基硅氧烷模具分辨率高、制作簡單和紫外膠固化速度快、折射率和玻璃的折射率接近等優(yōu)點，可以大批量、低成本的生產(chǎn)。復(fù)制后的達(dá)曼光柵性能穩(wěn)定、可靠，是實現(xiàn)達(dá)曼光柵大規(guī)模生產(chǎn)的一條重要途徑。
權(quán)利要求
1.一種面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，其特征是利用聚二甲基硅氧烷制作面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵模具，紫外膠作為復(fù)制材料，利用壓印技術(shù)將面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵復(fù)制在玻璃基板上的紫外膠上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，其特征在于包括下列步驟①將需要復(fù)制的表面無灰塵、無油污的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵放入塑料培養(yǎng)皿中，光柵面朝上；②將混合好的聚二甲基硅氧烷倒入該培養(yǎng)皿中，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度控制在3～5mm。③熱固化聚二甲基硅氧烷薄膜，固化溫度在25℃到100℃之間，固化完全后，沿著光柵槽的方向從一側(cè)揭起該聚二甲基硅氧烷薄膜，使其和達(dá)曼光柵分離，得到一個和原面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵表面形貌相反的聚二甲基硅氧烷模具；④選用粘滯系數(shù)小于500厘泊，硬度大于7的紫外膠滴在一玻璃基板的表面，將所述的聚二甲基硅氧烷模具垂直輕壓在所述的紫外膠的表面，靜置幾分鐘后，該紫外膠完全充滿所述的聚二甲基硅氧烷模具的溝槽后，放在紫外光下固化；⑤固化完全后，沿著光柵槽的方向從一側(cè)揭起所述的聚二甲基硅氧烷模具，使其和紫外膠分離，在所述的玻璃基板上的紫外膠上得到所需要的復(fù)制的面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵。
全文摘要
一種面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵的復(fù)制方法，其特點是利用聚二甲基硅氧烷制作面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵模具，紫外膠作為復(fù)制材料，利用壓印技術(shù)將面浮雕微結(jié)構(gòu)達(dá)曼光柵復(fù)制在玻璃基板上的紫外膠上。本發(fā)明方法具有工藝簡單、成本低、制造周期短和可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號G02B5/18GK101082769SQ200710042038
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者周常河, 王偉 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所