▍作者：楊高（深圳大學）

《光學精密工程》2023年第15期封面

▍導讀

微透鏡陣列、菲涅爾透鏡、光柵、衍射光學元件等微光學元件具有微型化、集成化、高精度、高靈敏度、低能耗等優點，為先進光學系統設計帶來了新的發展方向和機遇，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、生物醫療及消費電子等領域的需求量日益增大。

熱壓印技術是實現高性能玻璃微光學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量被限制。因此，深圳大學龔峰教授團隊聯合香港理工大學超精密加工技術國家重點實驗室研發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 精密工程》（EI、Scopus，中文核心期刊，《儀器儀表領域高質量科技期刊分級目錄》和《光學和光學工程領域高質量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發表了題為“用于玻璃熱壓印的高溫快速均勻加熱模塊的制造及優化”的封面文章。

該模塊最高溫度可達1 000 ℃，加熱速率為363 ℃/min，中心區域溫差2℃。如圖1所示，將此加熱模塊安裝在熱壓印設備上，可以用于成型高質量玻璃微納結構。

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構陣列

▍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-聚合物復合氣體輔助加熱、感應加熱、激光輻照加熱、紅外加熱等；另一方面，通過優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，實現低能耗、高溫和高效加熱仍然是一個挑戰。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，實現加熱模塊表面溫度分布的實時監測；接著，開展恒電壓加熱重復性測試，如圖2(c)所示，評估實驗結果的可靠性。隨后，建立和修正加熱模塊恒電壓加熱有限元仿真模型，并結合有限元仿真模型和正交試驗法對加熱模塊結構進行優化，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

針對優化設計與制造的快速加熱模塊，開發了精密溫控系統，控溫加熱700 ℃時，實測溫度與設定溫度基本一致，且溫度波動在0.3℃以內。尤其，勻熱塊中心20 mm×30 mm區域溫差在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，精密加載模塊實現壓印力的精確調整；加熱模塊實現快速均勻加熱；多軸運動平臺實現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，并提供氬氣氛圍。通過優化熱壓印工藝參數，將碳化硅模具表面的微結構高效精確地復制到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，特征復制率達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，特征復制率達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量。因此，搭載有高性能加熱模塊的熱壓印設備可以實現大面積跨尺度復雜玻璃微納結構的高效低成本制造，具有較高的產業化應用潛力。

▍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化[J]. 光學 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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