熔融石英和蓝宝石上平凹和平凸微透镜的激光制备及对比研究

随着成像系统逐渐小型化，对高效微光学元件的需求也在不断增长。微透镜阵列由许多微型透镜组成，就像昆虫的复眼一样。最近，高功率激光器已被用于制造熔融石英微透镜阵列（MLA）。激光器可以在局部区域提供较短脉冲持续时间的高温，以实现表面图案化。由于激光束能量非常局部，熔融石英具有的极低热膨胀系数的特点可以防止由于热梯度而导致的裂纹或断裂。

论文报告了使用皮秒 355 nm 波长激光器和 CO2 激光器制造平凹透镜，以及通过使用皮秒激光的图案化微加工结合 CO2 激光器在熔融石英上制造平凸微透镜阵列。论文报告了通过微透镜的透射光的表面形貌、轮廓、粗糙度、光传输效率和激光束轮廓，还演示了在红外透射材料蓝宝石上激光制造平凹透镜的结果。

通过使用Zemax软件在非序列模式下进行建模来设计MLAs，该模式提供反射射线和透射射线数据，如图1所示。

使用 CO2 激光下在熔融石英上制造了凹形MLA。图2A所示直径为 300 μm 的透镜是使用 43.6 kW/cm2 的激光功率密度和0.5 s的曝光时间制造的。由于微透镜的周期性和小直径，在透射光束的图像中观察到光学衍射环。为了消除衍射效应，微透镜随机间隔，如图2B所示。CO2 激光诱导的熔化和凝固将表面重塑为凹形。形成的凹透镜的深度和曲率半径取决于激光通量和辐照时间。时间或辐照通量的增加会产生更高的曲率。

CO2 激光成型凹面MLA的光透射效率为94.5%，采用抗反射涂层。Zemax软件对距透镜5 mm和10 mm处的光束轮廓仿真如图3A，B所示，实验结果如图3C，D所示。当高斯光束穿过 MLA 时，光束膨胀并均匀化。在X轴和Y轴上测得的发散角分别为6.13°和8.04°。X 轴和 Y 轴上的模拟发散角分别为 2.56° 和 4.58°。模拟结果未考虑透镜的重叠。

凹面 MLA 是使用皮秒激光制造的。使用 4.66 J/cm2 的激光能量密度制造了直径为 25 μm 的透镜，如图4A所示。透镜随机间隔以消除衍射效应。这些透镜的SEM图像如图4B所示。

皮秒激光成型凹面MLA的光传输效率为92.1%，采用抗反射涂层。距5 mm和10 mm透镜不同距离的透射光束轮廓模拟如图5A，B所示，实验结果如图5C，D所示。在X轴和Y轴上测得的光束发散角分别为11.99°和15.09°。X 轴和 Y 轴上的模拟发散角分别为 8.56° 和 11.4°。

柱面透镜是通过使用皮秒激光以 50 μm 间距的周期线内划线形成垂直结构来制备的，如图6A所示。使用功率密度为 25.2 kW/cm2 的 CO2 激光器将皮秒激光器形成的垂直结构重熔形成柱面透镜，如图6B所示。

圆柱形MLA的传动效率为86.7%。距透镜5 mm和10 mm不同距离处的光学透射光束轮廓模拟如图7A，B所示，实验测量如图7C，D所示。在X轴和Y轴上测得的光束发散角分别为5.55°和11.33°。X 轴和 Y 轴上的模拟发散角分别为 2.86° 和 11.4°。

文章报道了通过皮秒激光器与 CO2 激光器在熔融石英上制作了凹透镜，以及通过将皮秒微加工与 CO2 激光诱导熔化工艺相结合，在熔融石英上制作了柱透镜和凸透镜，还利用皮秒激光在蓝宝石上制作了凹透镜。制备的熔融石英微透镜阵列具有 >94% 的高透光率。利用Zemax软件模拟了微透镜阵列在距离透镜不同距离处的透射光束轮廓。模拟结果与测量结果吻合较好。

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