用按需滴定技术制备聚合物微透镜阵列

　　0　引言

　　微透镜及其阵列是微光学系统中的重要器件之一,主要用于光准直、光耦合、光互联等光纤通讯领域.最近几年,用可塑性轻量级光学材料制备微光学元件的生产技术成了人们感兴趣的研究课题.特别是有机聚合物,由于其容易加工,能大大简化制作工艺,而且得到的微透镜及其阵列具有高性能而特别引人注目[1].目前,聚合物微透镜及其阵列的主要制备方法有光刻热熔法、离子束刻蚀、激光直接写入和微喷打印[2~4],对于前几种方法,工艺复杂,对实验设备要求高,所得微透镜成本高;而对于微喷打印,美国MicroFab公司对这种技术作了深入的研究并开发了相应的生产设备及微透镜阵列产品.该方法操作简单,可以精确控制液体喷出量,精确的液体微喷技术是该方法有吸引力的主要原因.这种技术能精确制备几十个微米尺寸的透镜,但适用的高分子材料比较少.

　　本研究尝试采用高分子聚合物2单体混合溶液按需滴定2原位热聚合的方法制备聚合物折射微透镜.该方法操作简单,透镜一次成型,适合制备较大尺寸的微透镜(D=0.1 mm~5 mm).由于透镜是在液体表面张力的作用下自组装形成的,表面具有极好的光洁度.制备微透镜的材料可以是常见的优质有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物,也可以是其它高透明热塑性聚合物材料.因此,该方法操作简单,取材范围广泛,价格低廉,将在全光通信网络系统、集成光学系统中有着广阔的应用前景.

　　1　微透镜阵列制备

　　1.1　制备微透镜的实验设备

　　制备有机聚合物微透镜的实验装置如图1,使用的是点胶机和与计算机相连的三维移动平台,点胶机与针筒和氮气压力泵相连.通过微机控制点胶机控制针筒的出胶量及出胶的时间间隔,三维移动平台载着石英基板和对石英基板加热的装置,由计算机控制三维移动平台的移动方向和移动速度.

　　1.2　微透镜的制作工艺

　　步骤1:在室温下将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)和氯仿(CHCL3)以摩尔比为30∶73∶37的比例混合,将混合物在室温下振动大约2 h以使其完全溶解成溶液后再加入0.5%wt(相对MMA来说)的引发剂(过氧化苯甲酰BPO)并摇匀.

　　步骤2:在注射针筒中注入约2/3的上述溶液,然后将溶液静置直到无气泡为止.

　　步骤3:将点胶机和注射针筒相连,设定程序控制液体喷出量,打开时间控制开关以控制液体的重复流出量.最小出胶量可达80 nl(D=1.0 mm,sag=0.19 mm).利用计算机程序设定三维移动平台的移动速度和移动方向.

　　步骤4:用加热板对石英基板加热至70℃保温,用热电偶测量基板温度.

　　步骤5:同时打开计算机控制开关控制三维移动平台移动速度、方向和点胶机的连续脉冲开关.点胶机按设定的脉冲在基板上滴定溶液.根据脉冲间隔和放置石英基板的三维移动平台的移动速度控制透镜间距.