54、光学与微纳制造领域的创新技术研究

光学与微纳制造领域的创新技术研究

1 莫尔条纹模拟与识别

提出了基于 Zemax 和 VirtualLab 两种模拟反射式双光学编码器莫尔条纹的方法，并得出以下结论：
|模拟方式|结论|
| ---- | ---- |
|Zemax 和 VirtualLab 模拟结果|在不考虑光栅相位对行波的影响时，两者模拟结果一致|
|Zemax 和 VirtualLab 模拟对比|VirtualLab 模拟显示每簇莫尔条纹间存在明显相位差，而 Zemax 无此现象|

为估计莫尔条纹的周期和相位，理论推导了一种新方法，并通过 MATLAB 模拟系统进行测试，结果验证了该方法可识别莫尔条纹的周期和相位。这为评估机床动态实际误差对由莫尔条纹确定的光学编码器读数的影响提供了可能。

{mermaid}
graph TD;
A[模拟莫尔条纹] –> B[Zemax 模拟];
A –> C[VirtualLab 模拟];
B –> D[结果一致性判断];
C –> D;
D –> E{考虑光栅相位?};
E – 否 –> F[结果一致];
E – 是 –> G[对比相位差];
G –> H[VirtualLab 有相位差];
G –> I[Zemax 无相位差];
J[估计周期和相位] –> K[理论推导新方法];
K –> L[MATLAB 模拟测试];
L –> M[验证方法有效性];
{mermaid}

2 纳米移液器制备三维结构

2.1 背景与原理

传统的三维纳米和微观结构制造技术，如聚焦离子束（FIB）和立体光刻，需要受限环境且设备昂贵。因此，开发了一种使用纳米移液器制备三维结构的新技术。纳米移液器是一种孔径为亚微米级的锥形玻璃毛细管，填充含金属纳米颗粒的胶体溶液。制备柱子时，移液器边缘接触基板，然后向上移动并持续沉积金属胶体溶液，柱子直径取决于移液器孔径。

2.2 实验设置

2.2.1 局部电泳沉积方法

纳米移液器填充金胶体溶液（粒径 3nm），利用胶体纳米颗粒在水溶液中的负电荷特性，通过在插入移液器的电极和导电基板间施加电压实现电泳沉积。为稳定沉积，采用反馈控制维持移液器孔径处的电流恒定。

2.2.2 三维结构实验装置

纳米移液器通过热拉毛细管玻璃管制备，孔径 1.5µm。使用涂有氧化铟锡的载玻片作为导电基板，通过超声清洗和紫外线照射增加基板亲水性以形成弯月面。使用压电马达驱动的 X、Y、Z 轴定位台精确放置移液器，使用缩放式压电致动器确保基板在沉积纳米颗粒时平稳下降。通过 I - V 转换器检测移液器中的电流，并通过反馈控制器维持电流在预定水平。

实验部件	作用
纳米移液器	填充胶体溶液并进行沉积
导电基板	施加电压实现电泳沉积
X、Y、Z 轴定位台	精确放置移液器
缩放式压电致动器	确保基板平稳下降
I - V 转换器	检测电流
反馈控制器	维持电流恒定

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 电泳沉积

在无反馈控制的情况下，制备柱子时检测到移液器接触基板时电流约为 0.7nA，随后逐渐减小，这是由于沉积过程中柱子电阻增加。无反馈控制制备的柱子表面有许多收缩，难以以恒定速率连续沉积纳米颗粒。通过反馈控制维持预定电流，可制备出表面光滑的柱子。

不同条件下制备柱子的长度与阶段速度关系如下：
|条件|阶段速度增加时柱子长度变化|
| ---- | ---- |
|恒定电压 0.7V 无电流反馈|长度减小|
|电流反馈 50pA|长度减小|
|电流反馈 100pA|长度减小|

对比 100pA 和 50pA 电流反馈制备的柱子，100pA 时柱子长度明显更长，因为更高的电流值增加了纳米颗粒的迁移力，使电泳沉积条件更好。

{mermaid}
graph TD;
A[电泳沉积实验] –> B[无反馈控制];
A –> C[反馈控制];
B –> D[检测电流变化];
D –> E[电流减小];
E –> F[柱子表面有收缩];
C –> G[维持预定电流];
G –> H[制备光滑柱子];
I[不同条件制备柱子] –> J[恒定电压 0.7V 无反馈];
I –> K[电流反馈 50pA];
I –> L[电流反馈 100pA];
J –> M[长度减小];
K –> M;
L –> M;
L –> N[长度更长];
N –> O[迁移力增加];
{mermaid}

2.3.2 柱子力学性能评估

使用扫描电子显微镜（SEM）内的操纵器移动原子力显微镜（AFM）悬臂来测量柱子的挠度，进而评估柱子的杨氏模量。将基板垂直放置以便从侧面观察柱子，使用红外相机监测操纵器与物镜之间的间隙。通过测量悬臂和柱子的挠度、柱子的长度、直径等参数，计算出柱子的杨氏模量。

不同条件下制备柱子的杨氏模量对比：
|条件|杨氏模量|
| ---- | ---- |
|0.7V 无反馈|较低|
|50pA 电流反馈|较高|
|100pA 电流反馈|更高|

然而，制备柱子的杨氏模量（15GPa）小于金块体（78GPa），可能是由于胶体溶液中的保护剂吸附在金颗粒上降低了柱子的刚度，未来可研究退火和烘烤等后处理工艺来提高刚度。

3 玻璃表面大规模周期性结构制造

3.1 背景与目标

在相机、LED 显示屏等设备中，抗反射、光扩散、衍射等光学功能至关重要，通常通过表面高度有序的微结构来实现。随着光学设备需求的增加，开发大规模、高效率、高精度的微结构制造方法成为重要课题。本文提出了一种通过刮擦半反应的二氧化硅玻璃前驱体涂层在玻璃上制造高度有序微图案的新方法，并探讨了其制造机制。

3.2 实验过程

1. 涂层制备 ：将全氢聚硅氮烷（PHPS）溶液旋涂在玻璃基板上，获得厚度约 0.6µm 的涂层，然后在 80 - 250°C 下热固化，使涂层表面具有不同的反应分布。
2. 刮擦测试 ：使用半径为 50mm 的针尖，以 45Hz 的频率振荡并以 5 - 25µm/s 的速度刮擦涂层，同时增加负载。当涂层在 100°C 下固化 12 小时后，刮擦可获得间距约 1mm 的高度有序周期性结构。通过降低刮擦速度，图案间距可减小到 1µm 以下。

实验步骤	具体操作
涂层制备	旋涂 PHPS 溶液，热固化
刮擦测试	针尖振荡并刮擦涂层，增加负载

3.3 模拟与机制分析

为了估计涂层中的反应速率分布，进行了模拟。结果发现涂层中有两层：涂层表面下方的反应层和靠近 PHPS - 基板边界的未反应层。表面的反应层降低了摩擦，使涂层在刮擦时不会破裂，而未反应层则使涂层能够变形。

{mermaid}
graph TD;
A[玻璃表面微图案制造] –> B[涂层制备];
B –> C[PHPS 溶液旋涂];
C –> D[热固化];
A –> E[刮擦测试];
E –> F[针尖振荡刮擦];
F –> G[增加负载];
H[模拟分析] –> I[估计反应速率分布];
I –> J[发现两层结构];
J –> K[反应层降低摩擦];
J –> L[未反应层使涂层变形];
{mermaid}

4 总结

本文介绍了光学与微纳制造领域的三项创新技术：
1. 莫尔条纹模拟与识别 ：提出了基于 Zemax 和 VirtualLab 的模拟方法，推导并验证了估计莫尔条纹周期和相位的新方法，为评估机床误差对光学编码器读数的影响提供了可能。
2. 纳米移液器制备三维结构 ：开发了一种使用纳米移液器通过电泳沉积胶体纳米颗粒制造三维结构的新技术，通过控制电流可提高制备的重复性和柱子的刚度。
3. 玻璃表面大规模周期性结构制造 ：通过刮擦半反应的二氧化硅玻璃前驱体涂层，可在玻璃上制造高度有序的微图案，模拟分析揭示了涂层的反应分布和变形机制。

这些技术在光学设备制造、微纳器件加工等领域具有潜在的应用价值，未来可进一步研究和优化，以提高制造效率和质量。

技术名称	主要内容	应用前景
莫尔条纹模拟与识别	基于 Zemax 和 VirtualLab 模拟，推导新方法估计周期和相位	评估机床误差对光学编码器的影响
纳米移液器制备三维结构	使用纳米移液器电泳沉积纳米颗粒，控制电流提高重复性和刚度	微纳器件制造
玻璃表面大规模周期性结构制造	刮擦半反应涂层制造微图案，分析反应分布和变形机制	光学设备表面微结构制造