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大面积微结构光学表面的激光辅助直接辊压技术

2024-01-31科学

长三角G60激光联盟导读

东京大学开发了一种名为激光辅助直接辊压压印(LADRI)的高通量制造方法,以降低大面积聚合物薄膜的纳米压印成本。该研究以「Laser-assisted direct roller imprinting of large-area microstructured optical surfaces」为题发表在【Microsystems & Nanoengineering】上。

本研究开发了一种名为激光辅助直接辊压压印(LADRI)的高通量制造方法,以降低大面积聚合物薄膜的纳米压印成本,并解决与纳米压印相关的问题,即微结构损伤和整个薄膜的平整度精度。利用 LADRI,激光直接加热滚筒模具的微结构表面,从而加热并熔化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜表面,快速复制模具上的微结构。本研究通过实验研究了激光功率密度、扫描速度、微结构尺寸和接触压力对复制速度的影响。复制速度随着功率和扫描速度的增加而提高。然而,由于薄膜需要加热直至充满整个微结构深度,因此需要适当的复制速度。利用瞬态热传导分析对模具和 PMMA 内部的温度分布进行了模拟,从而证实了这一结果。为了展示LADRI的应用,研究人员复制了两种不同的光学表面:一种是具有数百纳米锥形结构的抗反射(AR)结构,另一种是具有由10μm 透镜组成的微透镜阵列(MLA)的吸光结构,分别用于显示和照明。MLA的复制程度受接触压力的影响。聚合物流动模拟表明,熔融的PMMA 表面的热传导和流动速度在几十微米范围内相当。此外,AR 结构的反射率从 4% 降至 0.5%,吸光结构的光强度增加了 1.47 倍。

图 1:激光辅助直接辊压压印(LADRI)。

图 2:实验装置和样品图片。

图 3:非稳态热传导结果。

图 4:不同功率水平和照射时间下的有限元计算和实验结果。

图 5:复制的AR结构。

图 6:抗反射结构复制结果。

图 7:MLA 复制结果。

图 8:复制的MLA薄膜对有机电致发光的吸光演示。

该研究设计了一种新的大面积微结构复制方法LADRI,它结合了LADI和辊压印的概念。通过复制实验和利用衍射图样进行有限元热模拟,研究了激光功率和扫描速度对复制特性的影响。模拟结果与实验结果一致,并成功证明了LADRI的高效性。研究发现,75 微米厚的PMMA 薄膜不会出现皱褶,因为只有表面被加热和冷却。由于镍模具的热膨胀系数与 PMMA薄膜的热膨胀系数不同,对局部升温和残余应力进行了定量研究。进一步证明了抗反射和吸光结构这两种光学应用的光学性能的提高。此外,研究还阐明了聚合物的流体动力学和压力对 LADRI复制10 微米以下结构的复制程度的依赖性。

论文链接:

Nagato, K., Takahashi, K., Yajima, Y. et al. Laser-assisted direct roller imprinting of large-area microstructured optical surfaces. Microsyst Nanoeng 10, 9 (2024). https://doi.org/10.1038/s41378-024-00650-3

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