基于聚焦离子束技术的微透镜与光纤集成方法

摘要

本发明提出的聚焦离子束技术实现微透镜与光纤集成方法是直接将设计的微透镜几何参数输入计算机控制聚焦至10纳米的离子束斑按照一定的轨迹逐点写入加工或逐层材料添加，属于一步制作方法，避免了以往报道的激光直接写入法、电子束扫描直接写入法以及光学刻划方法中必不可少的从光致抗蚀剂到基底的图形转移工序，减少了累积制作误差，从而大大提高了微光学元件制作过程中的控制精度。本发明可一步制成集成一体的透镜光纤，对研制和开发微光电系统、以及分析监测仪器小型化和紧凑化将具有重要的应用价值。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种采用聚焦离子束一步制作技术实现微光学元件与光导纤维集成一体化的新方法，即基于聚焦离子束技术的微透镜与光纤集成方法。

背景技术

“光纤透镜”在光学测量、环境监测、生化分析等领域有着愈来愈广泛的应用，尤其在近年来备受青睐的微光学系统研制和开发中起着至关重要的作用。早在80年代初，美国Crawford Hill实验室的G.Eisenstein等就用化学腐蚀法在单膜光纤端部的芯部制作出微型锥透镜(G.Eisenstein，and D.Vitello，“Chemically etched conical microlenses for coupling single-modelasers into single-mode fibers.”Applied Optics21(19)，3470-3474(1982))。在此前后的近30年中，电弧熔化法、激光加工法、光致聚合法等方法相继问世(D.Kato，“Light coupling from a strip-geometry GaAsdiode laser into an optical fiber with a spherical end.”J.Appl.Phys.44，2756-2758(1973))、H.M.Presby，A.F.Benner，and C.A.Edwards，“lasermicromachining of efficient fiber microlenses，”Appl.Opt.29，2692-2695(1990)、Renaud Bachelot，Carole Ecoffet，etc.“Integration ofmicrometer-sized polymer elements at the end of optical fibers byfree-radical photopolymerization，”Appl.Opt.40(32)，5860-5871(2001))。

新加坡南洋理工大学精密工程与纳米技术中心与中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室合作研究出一种新的微透镜与光纤集成方法。实现精确控制的微透镜—光纤集成方法正将带来的应用前景已经使许多著名大学和研究单位在这方面不断开展探索性研究。但到目前为止，对于用聚焦离子束一步制作技术实现精确控制的微透镜与光纤集成方法，国内外还未见报道，相关技术细节也很少。

已报道的传统集成方法共同的不足之处有两点：一是难以实现微透镜面型的精确控制，二是无法实现微衍射结构的集成。虽然意大利的M.Prasciolu等人于2003年报到了采用电子束刻蚀法在光纤端部制作出衍射结构(M.Prasciolu，D.Cojoc，S.Cabrini，etc.“Design and fabrication ofon-fiber diffractive elements for fiber-waeguide coupling by means ofe-beam lithography，”Microelectronic Engineering，67-68，169-174(2003))，但是仍然需要图形转移工序将光刻胶图案转移致光纤端部。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种可实现一步制作和精确控制的基于聚焦离子束技术的微透镜与光纤集成方法。

本发明的技术解决方案是：基于聚焦离子束技术的微透镜与光纤集成方法，通过以下步骤完成：

(1)根据系统要求设计出用于集成的微型光学元件，如球面、非球面、椭球面、柱面、衍射透镜、闪耀光珊、正弦光栅等；

(2)将设计的连续曲面的数据离散化，并根据离散化的数据、定标数据、以及制作过程参数编写出机器自动运行的控制程序；

(3)设置机器运行的初始参数以及运行模式(刻蚀或沉积)、并运行步骤(2)中的设计程序；

(4)采用干涉仪进行元件测试(几何参数测量)；

(5)微透镜(光纤集成一体的性能测试(聚焦特性、准直特性、以及耦合效率等)。

所述的设计的连续曲面是由离散的多台阶逼近而成的，不同的台阶对应不同的刻蚀深度或沉积高度，离散的步距视具体的透镜设计尺寸而定，如环带宽度为3～10微米，离散步距为0.5微米；如环带宽度为1～3微米，离散步距为0.15微米；如环带宽度为10～20微米，离散步距为0.8微米；如环带宽度＞20微米，离散步距则为1微米。整个制作过程由计算机编程控制，设置机器运行初始参数，如离子束能量、束流密度、工作台高度、工作台倾斜角度、视场、离子驻留时间、以及X与Y方向的束斑重叠量等，然后调用设计程序并启动加工过程。由于光纤材料为石英，属于非金属绝缘体，加工时须使用正电荷中合器(在Micrion 9500EX型机器中称为Flood Gun)，有的商业化聚焦离子束机器无此配置，例如FEI Quanta 2003D。由于光纤端部位置的特殊性，无法用原子力显微镜测量该透镜的几何尺寸，而非接触的光学干涉仪是较为合适的测量工具，如WYKO NT2000型干涉仪。集成微透镜的光学性能测试可采用光束轮廓测量仪、光源、显微物镜与集成光纤的耦合、精密三维移动台等装置搭接实现。

本发明与现有技术相比具有的优点：本发明是直接将设计的微透镜几何参数输入计算机控制聚焦离子束4斑点(可聚焦到最小至10纳米)按照一定的轨迹逐点写入加工，属于一步制作方法(参见图1)，避免了以往报道的激光直接写入法、电子束扫描直接写入法以及光学刻划方法中必不可少的从光致抗蚀剂到基底的图形转移工序，减少了累积制作误差，从而大大提高了微光学元件制作过程中的控制精度；此外可以利用聚焦离子束的高偏转扫描控制精度实现微透镜面型的精确控制。常规的各种微透镜(球面、非球面、椭球面、柱面、衍射透镜、闪耀光栅、正弦光栅等)与光纤的集成均可用该方法实现(参见图2-1、图2-2、图3-1、图3-2、及图5)。本发明的离子束直接辅助沉积技术是基于材料添加原理的一步制作方法，根据优化设计选定的沉积厚度进行逐层沉积，沉积材料通常选为二氧化硅(参见图4、图6、及图7)。整个过程可以编程控制也可手动控制。该方法成功地实现了折射微型球面、柱面、以及椭球面透镜的直接单步制作。利用这一方法可制成微光学传感器、微型光谱仪、微型生化分析仪、以及小卫星有效载荷用微型传感器等，对研制和开发微光电系统、以及分析监测仪器小型化和紧凑化提供了一个重要和有效的手段。

附图说明

图1为本发明的聚焦离子束直接写入方法原理图；

图2-1和图2-2为本发明的聚焦离子束直接写入衍射透镜原理图；

图3-1和图3-2为本发明的聚焦离子束4直接写入法在光纤端部2集成微型折射透镜8和衍射透镜3原理图；

图4为本发明的聚焦离子束4直接沉积法在光纤端部2集成微型折射透镜9原理图；

图5为本发明衍射光学元件制作流程图；

图6为本发明微透镜沉积法制作流程图；

图7为本发明直接沉积法逐层沉积原理图。

具体实施方式

实施例1，如图5衍射光学元件制作流程图所示，

通过本发明的方法制作的微型衍射透镜与多模光纤的集成一体化，其制作过程如下：

(1)采用融石英材料进行定标，即找出离子剂量与相应的刻蚀深度之间的线性关系；

(2)剥离光纤2外层塑料包层1至端面距离5毫米左右，将设计的具有连续浮雕结构的微型衍射光学元件3(参见图1、图2-1、2-2和图3-2)表面二维轮廓离散化，如设计直径为67微米的微衍射透镜，其离散步距为0.5微米，并根据离散化的数据，如直径和对应深度、步骤(1)的定标数据、以及刻蚀过程参数，如离子束能量、束流密度、加工视场、离子剂量等编写计算机6运行控制程序；

(3)将剪切好的多模光纤2(参见图1和图3)端部用专用抛光机抛光处理至表面粗糙度在2纳米以下(Ra值)，可用WYKO干涉仪测量此时的表面粗糙度；

(4)将处理好的光纤固定在专用卡具中，放入聚焦离子束真空室中。光纤应与工作台面保持垂直(为方便加工，可一次装卡多根光纤)；

(5)用聚焦离子束4(参见图1、图3-1和3-2)对光纤2成像观察并作对芯调整以及垂直度调整(可通过倾斜工作台实现)；

(6)将机器工作模式设置为刻蚀模式，并设置机器运行初始参数，如离子束能量、束流密度、工作台高度、工作台倾斜角度、视场、离子驻留时间、以及X与Y方向的束斑重叠量等；

(7)启动正电荷中合器(图中未标出)，调用并运行设计程序，完成一步刻蚀制作；

(8)取出光纤，用WYKO干涉仪测量三维轮廓的深度、浮雕宽度及其对称性、浮雕结构表面粗糙度等；

(9)测试该集成透镜光纤的聚焦特性或准直特性。

实施例2，参见微透镜直接原理图4、沉积法制作流程图6、及直接沉积法逐层沉积原理图7。

通过本发明的方法(聚焦离子束直接沉积的材料添加方法)制作的微型折射透镜(球面透镜)与多模光纤的集成一体化，其制作过程如下：

(1)采用二氧化硅(SiO₂)材料进行定标，即找出离子剂量与相应的沉积厚度之间的线性关系；

(2)剥离光纤2外层塑料包层1至端面距离5毫米左右，将设计的微型球面透镜8(参见图4)表面二维轮廓离散化，如设计直径为65微米的微折射透镜，其离散步距为0.5微米，并根据离散化的数据，直径和对应球冠高度、步骤(1)的定标数据、以及刻蚀过程参数，如离子束4能量、束流密度、加工视场、离子剂量等编写计算机运行控制程序；

(3)将剪切好的多模光纤2(参见图4)端部用专用抛光机抛光处理直表面粗糙度在2纳米以下(Ra值)，可用WYKO干涉仪测量此时的表面粗糙度；

(4)将处理好的光纤2固定在专用卡具中，然后放入聚焦离子束真空室中。光纤应与工作台面保持垂直(为方便加工，可一次装卡多根光纤)；

(5)用聚焦离子束4(参见图4)对光纤2成像观察并作对芯调整以及垂直度调整(可通过倾斜工作台实现)；

(6)将机器工作模式设置为沉积模式，选择二氧化硅(SiO₂)作为沉积材料，工作台高度设置为沉积位置(距离离子腔5发射面32毫米)，并设置机器运行的初始参数，如离子能量、束流密度、工作台倾斜角度、视场、离子驻留时间、以及X与Y方向的束斑重叠量等(重叠量是0，束斑间距是刻蚀模式的10倍)；

(7)启动气源喷射装置9(参见图4)调用并运行设计程序，化学气体10(TMCTS+H₂O)在离子束的作用下分解并沉积在光纤端部，完成微透镜8的一步沉积制作。此处的后处理工序(包含在运行程序中)为整个沉积过程的关键，如图7所示(覆盖层12，尺寸与底部第一层11相同)，它决定了沉积透镜8的最终轮廓以及表面粗糙度；

(8)取出光纤，用WYKO干涉仪测量三维轮廓的直径、球冠高度、球冠表面粗糙度、以及球冠的对称性等；

(9)测试该透镜光纤的聚焦特性或准直特性。