一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及方法
阅读说明：本技术 一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及方法 (Laser heating micro-nano photonics device mould pressing processing device and method ) 是由 周见红 周姚 赵建行 曹英浩 王丽 孙艳军 孟颖 闫钰峰 景文博 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及系统。该方法包括：利用镀膜工艺在透明衬底上镀待加工材料薄膜,形成带有待加工材料薄膜的透明衬底；将带有待加工材料薄膜的透明衬底置于透明基底上；将微纳结构模具置于待加工材料薄膜上；利用激光器发射的激光照射至待加工材料薄膜上加热,直至待加工材料薄膜软化；或者,利用激光器发射的激光照射至微纳结构模具的表面进行辅助加热直至待加工材料薄膜软化；对微纳结构模具施加压力,同时利用激光对软化后的待加工材料薄膜持续均匀照射,使得微纳结构模具的结构转印在软化后的待加工材料薄膜上。在模压加工过程中加热温度均匀、加工精度高、避免了待加工材料薄膜产生形变甚至缺陷等问题。(The invention relates to a laser heating micro-nano photonics device mould pressing processing device and a system. The method comprises the following steps: plating a material film to be processed on the transparent substrate by using a film plating process to form the transparent substrate with the material film to be processed; placing a transparent substrate with a material film to be processed on a transparent substrate; placing the micro-nano structure mold on a material film to be processed; irradiating the material film to be processed with laser emitted by a laser device, and heating until the material film to be processed is softened; or irradiating the surface of the micro-nano structure mold by using laser emitted by a laser to perform auxiliary heating until the material film to be processed is softened; and applying pressure to the micro-nano structure mold, and continuously and uniformly irradiating the softened material film to be processed by utilizing laser, so that the structure of the micro-nano structure mold is transferred on the softened material film to be processed. The heating temperature is uniform in the mould pressing process, the processing precision is high, and the problems of deformation and even defects of a material film to be processed are avoided.)
技术领域
本发明涉及微纳光子学器件模压加工领域，特别是涉及一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及方法。
背景技术
近年来，微纳光子学领域发展迅速，在信息通讯、生物医疗、航空航天、以及军工技术等领域有着广泛的应用。传统的微纳加工技术如感应耦合等离子体技术、电子束曝光技术、激光直写技术以及传统光刻技术等，无一不是成本高昂且良品率难以控制；此外，相较于微电子学器件，微纳光子学器件对结构的几何参数精度的要求更为苛刻，因此发展一种低成本、高效率、高精度的微纳光子学器件加工工艺迫在眉睫。
以光学玻璃为代表的非晶光学材料是制备微纳光子学器件的理想材料，它们具备在较高温度下呈可塑状态的特性，这使得通过模压方法加工微纳光子学器件成为可能。精密模压技术将玻璃薄膜表面加热至软化后将结构压印在模具表面，只要保障模具的结构精度足够高，其加工成品的精度就有保障。模具往往可重复利用，因此能有效降低加工成本，尤其适合批量生产。
在模压加工过程中，对原材料进行加热的方法十分重要，早期的方案是对材料进行预加热或通过外部热源加热，这种方式会使得材料受热不均匀，导致结构轻微的形变甚至缺陷。后又采取在模具表面镀导电材料薄膜的方法，通电后能进行局部的辅助加热。近几年，气体辅助加热、超声波辅助加热、橡胶辅助加热等方法也相继被提出，但还是会出现上述的结构轻微形变甚至缺陷问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及方法，以解决传统加热方式加热待加热结构时加热不均匀，易产生形变甚至缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置，包括：微纳结构模具、待加工材料薄膜、透明衬底、透明基底以及激光器；
所述微纳结构模具、所述待加工材料薄膜、所述透明衬底以及所述透明基底由上至下叠层在一起；所述激光器用于发射激光，所述激光依次透过所述透明基底以及所述透明衬底均匀照射所述待加工材料薄膜；所述微纳结构模具用于当所述待加工材料薄膜软化后，对所述待加工材料薄膜加压，使得所述微纳结构模具上的微纳结构转印在所述待加工材料薄膜上。
可选的，还包括：反射镜、第一透镜、针孔滤波器以及第二透镜；
所述反射镜、所述第一透镜、所述针孔滤波器、所述第二透镜以及所述激光器依次设置，所述第一透镜、所述针孔滤波器以及所述第二透镜设于所述激光器发射的激光光路上，且垂直于所述激光光路；所述激光光路平行于所述透明基底；
所述反射镜与所述激光光路之间具有夹角；所述反射镜用于将所述激光反射至所述待加工材料薄膜上。
一种激光加热微纳光子学器件模压加工方法，包括：
利用镀膜工艺在透明衬底上镀待加工材料薄膜，形成带有所述待加工材料薄膜的透明衬底；
将带有所述待加工材料薄膜的透明衬底置于透明基底上；
将微纳结构模具置于所述待加工材料薄膜上；
利用激光器发射的激光照射至所述待加工材料薄膜上进行加热，直至所述待加工材料薄膜软化；或者，利用激光器发射的激光照射至所述微纳结构模具的表面进行辅助加热直至所述待加工材料薄膜软化；
对所述微纳结构模具施加压力，同时利用所述激光对所述软化后的待加工材料薄膜持续均匀照射，使得所述微纳结构模具的结构转印在软化后的待加工材料薄膜上。
可选的，所述激光对所述待加工材料薄膜或所述微纳结构模具的表面产生光热效应。
可选的，选取对所述激光的波段具有第一高透过率的透明衬底；所述第一高透过率为高于第一透过率阈值的透过率。
可选的，选取对所述激光的波段具有第二高透过率的微纳结构模具；所述第二高透过率为高于第二透过率阈值的透过率。
可选的，所述镀膜工艺为热蒸发、电子束蒸发、气相沉积或磁控溅射。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及方法，利用激光照射加热待加工材料薄膜，避免待加工材料薄膜产生形变甚至缺陷等问题，本发明装置简单、操作简便，与其他加工方式相比，解决了模压过程中温度不均匀、加工精度低、表面粗糙等问题。
且本发明所选用的激光器无需太大功率，大大增加了操作过程中的安全性，本发明实现了高精度的微纳光子学器件加工，并能保证器件表面形貌质量，且装备设置简单，成本低，具有极高的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的镀有待加工材料薄膜的衬底样品图；
图2为本发明所提供的待加工材料薄膜放在微纳结构模具和透明基底中间准备模压的示意图；
图3为本发明所提供的对待加工材料薄膜进行激光辅助模压原理图；
图4为本发明所提供的激光加热微纳光子学器件模压加工方法流程图。
符号说明：1、待加工材料薄膜；2、透明衬底；3、微纳结构模具；4、透明基底；5、反射镜；6、第一透镜；7、针孔滤波器；8、第二透镜；9、激光器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
本发明的目的是提供一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置及系统，在模压加工过程中加热温度均匀、加工精度高、避免了待加工材料薄膜产生形变甚至缺陷等问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示，一种激光加热微纳光子学器件模压加工装置，包括：微纳结构模具3、待加工材料薄膜1、透明衬底2、透明基底4以及激光器9；
所述微纳结构模具3、所述待加工材料薄膜1、所述透明衬底2以及所述透明基底4由上至下叠层在一起；所述激光器9用于发射激光，所述激光依次透过所述透明基底4以及所述透明衬底2均匀照射所述待加工材料薄膜1；所述微纳结构模具3用于当所述待加工材料薄膜1软化后，对所述待加工材料薄膜1加压，使得所述微纳结构模具3上的微纳结构转印在所述待加工材料薄膜上。
在实际应用中，本发明还包括：反射镜5、第一透镜6、针孔滤波器7以及第二透镜8；所述反射镜5、所述第一透镜6、所述针孔滤波器7、所述第二透镜8以及所述激光器9依次设置，所述第一透镜6、所述针孔滤波器7以及所述第二透镜8设于所述激光器9发射的激光光路上，且垂直于所述激光光路；所述激光光路平行于所述透明基底4；所述反射镜5与所述激光光路之间具有夹角；所述反射镜5用于将所述激光反射至所述待加工材料薄膜1上。
本发明采用了适当的光路对激光束进行扩束和优化以均匀覆盖整个待加工区域。如图3所示，激光束由激光器9发出后经第二透镜8聚焦并通过针孔滤波器7进行优化，再由第一透镜6重新准直，最后通过反射镜5调整传播方向从而照射到待加工区域；光照时间和模压时间视具体激光器9功率以及光路的扩束情况而定。
图4为本发明所提供的激光加热微纳光子学器件模压加工方法流程图，如图4所示，本发明还提供了一种激光加热微纳光子学器件模压加工方法，包括：
步骤401：利用镀膜工艺在透明衬底2上镀待加工材料薄膜1，形成带有所述待加工材料薄膜的透明衬底。
步骤402：将带有所述待加工材料薄膜的透明衬底置于透明基底4上。
步骤403：将微纳结构模具3置于所述待加工材料薄膜1上。
步骤404：利用激光器9发射的激光照射至所述待加工材料薄膜1上进行加热，直至所述待加工材料薄膜1软化；或者，利用激光器9发射的激光照射至所述微纳结构模具3的表面进行辅助加热直至所述待加工材料薄膜1软化。
步骤405：对所述微纳结构模具3施加压力，同时利用所述激光对所述软化后的待加工材料薄膜持续均匀照射，使得所述微纳结构模具3的结构转印在软化后的待加工材料薄膜上。
在实际应用中，所述激光对所述待加工材料薄膜1或所述微纳结构模具3的表面产生光热效应。
在实际应用中，选取对所述激光的波段具有第一高透过率的透明衬底2；所述第一高透过率为高于第一透过率阈值的透过率。
在实际应用中，选取对所述激光的波段具有第二高透过率的微纳结构模具3；所述第二高透过率为高于第二透过率阈值的透过率。
在实际应用中，所述镀膜工艺包含但不限于热蒸发、电子束蒸发、气相沉积以及磁控溅射。
基于本发明所提供的激光加热微纳光子学器件模压加工装置及系统，通过以下具体的实施例进一步表述本发明的技术方案。
步骤一：在透明衬底2上镀待加工材料薄膜1。
具体地，选择对所选激光器9波段有较高透过率的衬底，以便所选激光可以透过衬底；待加工材料薄膜1的厚度和镀膜工艺(如热蒸发、电子束蒸发以及磁控溅射等)可以根据实际需求以及所具备的条件适当选择。
步骤二：将步骤一中制备好的样品放置在包含微纳结构模具3的模压装置中。根据所加工材料选择适当的模压装置，来选择对模具表面进行加热或者对所加工材料本身进行加热。
模压装置中除了包含微纳结构模具3，还有其他零件，只要包含微纳结构模具3的模压装置应用于本发明中均在本发明的保护范围内。
所述步骤二中所加工的材料既可以是对所用激光吸收较高的材料也可以是对所用激光透过较高的材料。如果是对所用激光透过较高的材料，可以使用对所用激光吸收较高的模具，对模具表面进行加热，以达到辅助模压的目的；如果是对所用激光吸收较高的材料可以直接加热材料本身，无需选用吸收较高的模具材料。
步骤三：对微纳结构模具3加压，同时用激光对待加热部分进行持续均匀照射，使微纳结构模具3的结构转印在待加工材料薄膜1上。
所述步骤三中可根据具体情况(样品尺寸、工作空间等因素)选择适当的扩束光路对激光束进行扩束，以得到均匀且覆盖整个样品的激光束；光照时间和模压时间视具体激光器9的功率以及光路的扩束情况而定。
综上所述，本发明采用的激光辅助加热装置结构简单，易于搭建，而且操作方便、灵活，所用激光器9的功率较小，相对比较安全，是一种安全高效、精密稳定的加工方法。本发明可以实现高精度的微纳光子学器件加工，并能保证器件表面形貌质量，装备设置简单，成本低，具有极高的应用价值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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