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      1. 玻璃模壓成形締造微納尺度的光影魔術

         

        玻璃模壓成形締造微納尺度的光影魔術

        廣州斗龍光學科技有限公司(http://www.looneydoodle.com)非球面透鏡生產工廠

         

        創新性的玻璃模壓成形技術能夠以較低的成本和較高的效率實現光學微結構陣列的超精密制造,目前基于該技術已經形成了全電機伺服驅動精密模壓成形樣機,對國內微納光學器件制造具有重要的意義。

          光為眼睛創造了一個繽紛而奇妙的世界。結合光的衍射、折射和反射等性質,以及人眼的視覺特性,研究人員可以實現多種光學功能。尤其是當具體到微納尺度時,如果將一定數量微納尺度的透鏡和棱鏡組合在一起形成某種陣列并進行特殊設計,由于單個微結構的尺度范圍與光學波長接近,因此可以實現多種光學功能。

          這種陣列被稱為微結構光學元件,可以對任意波長光進行物理調控。根據上述原理制成的微透鏡陣列背光組模能夠使顯示屏幕以較小的光源能量,獲得較亮、較均勻的顯示效果,廣泛應用于手機、數碼相機等電子設備的液晶顯示屏幕的微透鏡陣列背光組模。例如,微透鏡陣列結構制作的導光板(LGP)可以將點光源或線光源轉化為面光源,并減小照明系統的尺寸;手機背光系統中的棱鏡膜可以匯聚導光板頂面出射的光,增加手機液晶屏(非主動發光器件)的亮度。此外,光學微結構陣列還適用于機械設計約束,可以實現新型的光學設計概念、集成光學和機械功能等。

          然而在微納尺度,任何一點微小的誤差都可能導致無法實現所需的光學效果,如何才能以較低的成本和較高的效率實現光學微結構陣列的超精密制造呢?面對這一艱巨挑戰,北京理工大學的研究團隊提出了解決方案:采用玻璃模壓成形技術制造光學微納結構陣列。具體說來,研究團隊建立了面向高性能微納陣列模具制造的磷化鎳(Ni-P)材料強化和超精密微切削理論,以及面向微光學元器件制造的玻璃微納陣列高效超精密高溫模壓成形理論,為光學微納陣列低成本批量生產奠定了科學理論基礎。

          概括來說,玻璃模壓成形技術是指對玻璃和模具進行加溫和加壓,一次性地將光學玻璃模壓成可滿足特定要求的光學零件,涉及模具材料、玻璃材料和相關設備及工藝參數等諸多挑戰。其中微納陣列模具的超精密制造是實現超精密成形技術的首要基礎。

          縱觀近年來的技術發展,單點金剛石切削是加工微納結構陣列的更好方法,然而傳統模具材料主要是碳化鎢、碳化硅,會導致金剛石刀具產生嚴重磨損,在不允許換刀的前提下難以完成大面積微納結構加工。磷化鎳是一種理想選擇:其材料硬度可以達到500~600HV(維氏硬度),可基本滿足玻璃模壓成形的硬度要求;具有相對良好的切削性能,更適合單點金剛石切削。確定該材料后,研究團隊在模具端部進行化學鍍磷化鎳,實現了樣件制備。在化學鍍磷化鎳鍍層的基礎上,通過向鍍層中添加第三相,使之與磷化鎳合金共沉積從而得到復合鍍層,改善鍍層的機械性能。石墨烯的楊氏模量高達1000千兆帕(GPa),內在強度高達130GPa,基于其優異的機械性能和獨特的二維納米結構,提出了制備石墨烯-磷化鎳復合鍍層的方法。采用表面活性劑先對石墨烯進行改性,然后采用對鍍液施加循環間歇超聲的方式進行化學復合鍍。工藝流程如圖1所示。

          研究團隊利用圓弧刀具或三角形金剛石刀具在無電解磷化鎳鍍層材料上加工出微納陣列,以此作為微納陣列模具。首先將磷化鎳沉積到不銹鋼或超硬合金等基材表面,然后利用多自由度超精密加工中心和圓弧刀具或三角形金剛石刀具對鍍層磷化鎳材料進行微切削,在鍍層上加工出微納結構陣列。為了減小切削加工過程中的單步材料去除量,研究團隊還引入了飛切加工技術進行微結構加工,通過對機床整體結構進行改造,搭建飛切加工平臺。結合飛切加工特性進行工藝優化,對溝槽陣列和棱錐陣列的缺陷形成機理進行了分析,加工得到大面積、高質量的溝槽陣列與棱錐陣列模具,用于玻璃模壓加工。結合飛切加工平臺,利用裝置的低頻振動加工了兩級結構及結構色單元,如圖2所示。

          玻璃模壓成形技術的另一個重要步驟是將玻璃材料和模具一起加熱到玻璃轉化溫度以上,控制成形壓力將微納陣列模具表面形狀復制到玻璃表面,然后冷卻取出光學微納陣列玻璃片。在這個過程中,由于模具材料和光學玻璃材料之間的熱膨脹系數存在差異,應力場、溫度場和流變場等因素會導致成形誤差,模具的磷化鎳鍍層在高溫高壓環境下與高粘性玻璃之間易產生分子擴散、親和融合與粘連粘接的現象。針對這些問題,研究團隊測試了玻璃材料高溫熱塑-粘彈性,利用麥克斯韋修正模型建立了玻璃高溫熱塑-粘彈性受壓變形物理模型。通過有限元仿真技術,計算了模壓過程中溫度場分布、應力場分布和應變/應變率分布,揭示了模壓過程中玻璃材料流動機制和玻璃高溫熱塑-粘彈性形變機理。

          針對模壓成形過程中的微納表面效應導致模具磷化鎳微結構與高溫高壓高粘度熱熔玻璃之間存在界面粘接分離作用機制與元素擴散的現象,研究團隊采用物理氣相沉積(PVD)法在已經加工出的磷化鎳鍍層微溝槽模具表面鍍了銥/錸(Ir/Re)貴金屬鍍層,可以減小玻璃與模具界面間的摩擦系數,同時隔離模具中磷化鎳鍍層內磷元素向玻璃表面擴散現象,延長了模具使用壽命。

          針對新型碳燒結石墨烯高電導率和熱導率等特點,研究團隊實現了基于該石墨烯鍍層的局部快速加熱模壓成形技術。利用化學氣相沉積方法將該石墨烯鍍到單晶硅模具上表面,配合電源和電控壓力LabVIEW系統,搭建局部快速加熱試驗平臺。與傳統模壓成形技術加熱整個鏡片相比,在通電條件下,局部快速加熱模壓中的石墨烯成為僅有的熱量來源。它產生的熱一部分傳入基底硅中,一部分在空氣中耗散掉,主要部分傳入光學材料中將其加熱。由于光學材料導熱率較低,因此只有緊挨著石墨烯的薄薄一層光學材料會升至模壓溫度,所以稱為局部加熱。一般來講,模壓中產生殘余應力和折射率變化的主要原因是冷卻階段透鏡內外冷卻速度不一致,而采用石墨烯的局部加熱方法可使透鏡上層這些不需要復制模具微結構的部分免受加熱冷卻的工藝過程,從而大大減小整個透鏡的殘余應力,更能滿足光學生產的要求。

          在此基礎上,研究團隊的首席科學家周天豐教授提出了全電機伺服驅動精密模壓成形機的設計思想,并研制開發了樣機,各項性能指標均達到國際一流水平。該樣機采用7臺電缸作為模壓機構的伺服驅動元件,相比國外氣缸驅動的玻璃模壓成形設備,更有利于對模壓速度、模壓位置與成形壓力的精密控制。設備使用的工業控制系統比可編程邏輯控制器更利于對模壓成形過程進行工藝調試、條件優化以及對工藝數據的導入導出。設備還對加熱模塊進行了進一步優化,有更寬的溫度調控范圍,對國內微納光學器件制造意義重大。

          隨著科技的發展,微結構光學元件愈發精密化、多樣化,對光學微納陣列元件的超精密制造技術也有越來越高的要求。未來,研究團隊將繼續從基礎理論、制造方法、表征評價體系等方面構建較為完整的玻璃微納陣列高效超精密模壓制造基礎,促進以光學微結構陣列為代表的復雜微結構件的精密成形技術發展,提升微納光學元器件的制造能力和技術水平。終有一天,基于研究團隊成果的超精密光學制造技術將為人類帶來更加豐富、完美的光影體驗。

          致謝:感謝國家973計劃項目“玻璃微納陣列高效超精密模壓制造基礎研究”(項目編號:2015CB059900)的支持。

          本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2019年3月刊。

         

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