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制作高填充率平面微透镜阵列的离子扩散特性研究

蒋小平  刘德森  周素梅  
【摘要】:采用光刻离子交换法制作的平面微透镜阵列是一种具有特殊性能的传光、成像和光束变换的重要光子器件,进行离子交换时,其扩散特性直接决定了微透镜阵列的光学特性。作为一种高精度的光学微加工工艺,自20世纪80年代以来,光刻离子交换工艺在制作平面微透镜阵列方面已经取得了极大的成功和发展。而早期的平面微透镜阵列均采用圆形开孔式离子交换,研究的侧重点是透镜元本身的光学特性和微透镜阵列的成像特性。随着集成光学和阵列光学的进一步发展,对微透镜阵列接收光信息的效率的关键因素——阵列的填充率问题逐步受到关注,于是出现了以方形和六角形为代表的异形孔径平面微透镜阵列。因此,研究不同孔径形状的开孔式离子扩散特性对制作高填充率、光学性能优良的平面微透镜阵列具有重要的意义,目前尚无对此的专门研究报道。本文采用光刻离子交换法对两种孔径形状的开孔式离子交换特性进行了研究,并得到了如下结论:(1)当开孔设计为周期性六角形排列时,不论是圆形还是六角形开孔,采用光刻离子交换工艺均可制作相邻边界为六角形的高填充率(接近100%)仿复眼微透镜阵列,但六角形开孔更有实用价值。(2)开孔式离子扩散的平均扩散速率随时间增加按指数减小,而且z方向比r方向减小更快;在同一扩散进程中,z方向的平均扩散速率大于r方向;在r方向,六角形开孔的扩散系数小于相应的内切圆开孔的扩散系数,但在z方向则相反。文中给出了不同孔径形状的开孔在不同离子交换时间的扩散宽度、深度图片和测试数据。

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