▍作者：楊高（深圳大學(xué)）

《光學(xué)精密工程》2023年第15期封面

▍導(dǎo)讀

微透鏡陣列、菲涅爾透鏡、光柵、衍射光學(xué)元件等微光學(xué)元件具有微型化、集成化、高精度、高靈敏度、低能耗等優(yōu)點，為先進光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的發(fā)展方向和機遇，因而在航空航天、國防安全、綠色能源、空間感測、激光輻射、光纖通信、生物醫(yī)療及消費電子等領(lǐng)域的需求量日益增大。

熱壓印技術(shù)是實現(xiàn)高性能玻璃微光學(xué)元件低成本綠色制造的有效途徑。然而，由于加熱冷卻周期較長，溫度均勻性不高，其制造效率和成型質(zhì)量被限制。因此，深圳大學(xué)龔峰教授團隊聯(lián)合香港理工大學(xué)超精密加工技術(shù)國家重點實驗室研發(fā)了一種基于氮化硅陶瓷加熱片的高溫快速均勻加熱模塊，并在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發(fā)表了題為“用于玻璃熱壓印的高溫快速均勻加熱模塊的制造及優(yōu)化”的封面文章。

該模塊最高溫度可達(dá)1 000 ℃，加熱速率為363 ℃/min，中心區(qū)域溫差2℃。如圖1所示，將此加熱模塊安裝在熱壓印設(shè)備上，可以用于成型高質(zhì)量玻璃微納結(jié)構(gòu)。

圖1：搭載有高性能加熱模塊的熱壓印裝備及成型的玻璃微結(jié)構(gòu)陣列

▍高性能加熱模塊研制

由于加熱冷卻周期較長，溫度均勻性不高，熱壓印制造效率和成型質(zhì)量被限制。近年來，研究人員一方面嘗試了多種加熱方法來提高熱壓印效率，如石墨烯-聚合物復(fù)合氣體輔助加熱、感應(yīng)加熱、激光輻照加熱、紅外加熱等；另一方面，通過優(yōu)化不同位置加熱元件的熱流密度來提高表面溫度分布的均勻性。然而，實現(xiàn)低能耗、高溫和高效加熱仍然是一個挑戰(zhàn)。本研究團隊研制了基于氮化硅陶瓷加熱片的高溫快速均勻加熱模塊，有望解決這一難題。

首先，基于氮化硅陶瓷加熱片設(shè)計制造了圖2(a)和2(b)所示的加熱模塊。然后，搭建加熱測試平臺，實現(xiàn)加熱模塊表面溫度分布的實時監(jiān)測；接著，開展恒電壓加熱重復(fù)性測試，如圖2(c)所示，評估實驗結(jié)果的可靠性。隨后，建立和修正加熱模塊恒電壓加熱有限元仿真模型，并結(jié)合有限元仿真模型和正交試驗法對加熱模塊結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以提高加熱速率和溫度均勻性。圖2(d)所示為恒定220 V電壓下加熱180 s時勻熱塊的表面溫度分布云圖。

圖2：加熱模塊：（a）三維設(shè)計圖，（b）實物圖，（c）1000℃控溫加熱測試圖，（d）恒電壓加熱180 s時勻熱塊上的表面溫度分布

▍熱壓印測試

針對優(yōu)化設(shè)計與制造的快速加熱模塊，開發(fā)了精密溫控系統(tǒng)，控溫加熱700 ℃時，實測溫度與設(shè)定溫度基本一致，且溫度波動在0.3℃以內(nèi)。尤其，勻熱塊中心20 mm×30 mm區(qū)域溫差在2 ℃左右，能很好滿足玻璃熱壓印的成形需求。

將加熱模塊安裝在圖3所示的熱壓印裝置中。該裝置由精密加載模塊、快速加熱模塊和多軸運動平臺組成。其中，精密加載模塊實現(xiàn)壓印力的精確調(diào)整；加熱模塊實現(xiàn)快速均勻加熱；多軸運動平臺實現(xiàn)玻璃坯料的精確定位。在快速加熱模塊與多軸運動平臺間放置云母板，大幅度減少熱量向運動平臺傳遞，以保證設(shè)備正常運行。

圖3：熱壓印裝置

為防止零部件的高溫氧化，將熱壓印裝置放置于密封的手套箱內(nèi)，并提供氬氣氛圍。通過優(yōu)化熱壓印工藝參數(shù)，將碳化硅模具表面的微結(jié)構(gòu)高效精確地復(fù)制到N-BK7玻璃表面。圖4(a)~4(c)比較了碳化硅微溝槽陣列模具和玻璃光柵元件的表面形貌。模具微溝槽的深度為4.745 μm±3.3 nm，玻璃表面微溝槽的高度為4.744 μm±1.3 nm，特征復(fù)制率達(dá)99.9 %。圖4（d）~4（f）展示了碳化硅微孔陣列模具和玻璃微柱陣列的表面形貌。模具微孔的深度為4.686 μm±1.8 nm，玻璃表面微柱的高度為4.675 μm±9.1 nm，特征復(fù)制率達(dá)99.8 %。

圖4：碳化硅和玻璃微溝槽和微孔陣列表面形貌

▍前景展望

本研究開發(fā)的高溫快速均勻加熱模塊有效解決了玻璃熱壓印加熱/冷卻周期長且溫度分布不均勻的問題，提高了制造效率和成型質(zhì)量。因此，搭載有高性能加熱模塊的熱壓印設(shè)備可以實現(xiàn)大面積跨尺度復(fù)雜玻璃微納結(jié)構(gòu)的高效低成本制造，具有較高的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。

▍論文信息

王鑫, 龔峰, 張志輝, 楊高. 用于玻璃熱壓印的高溫快速均勻加熱模塊的制造及優(yōu)化[J]. 光學(xué) 精密工程, 2023, 31(15): 2203. 

Xin WANG, Feng GONG, Chifai CHEUNG, Gao YANG. Fabrication and optimization of high-temperature uniform rapid heating module for glass hot embossing[J]. Optics and Precision Engineering, 2023, 31(15): 2203. DOI：10.37188/OPE.20233115.2203

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20233115.2203/

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