CN100436111C - 三维光子学构造体以及制备三维光子学构造体的方法 - Google Patents

Abstract

通过光造型制备一种三维造型体，其具有包含可光固化树脂材料的空腔并且具有多个由光固化树脂材料构成的固化树脂层层叠的结构。当在覆盖空腔之前形成凹部时，将无机构件嵌入到凹部，每个所述凹部为相应空腔的至少一部分并保留有可光固化树脂材料。当所述三维造型体完成时，将保留在空腔中的可光固化树脂材料热固化。如此，有效地制备了在树脂基体内具有多个精确安置在所需的周期位置上的无机构件的三维光子学构造体。

Description

三维光子学构造体以及制备三维光子学构造体的方法

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种三维光子学构造体(photonic structure)和一种用于制备三维光子学构造体的方法。具体而言，本发明涉及一种用于制备具有多个位于树脂中的特定位置上的无机构件的三维光子学构造体的方法以及涉及一种由该方法制备的三维光子学构造体。

2.现有技术描述

光子学晶体包括周期性地位于特定物质中的材料体，而每个材料体都具有不同于该特定材料介电常数的介电常数，且由于电磁波的相互干涉，光子学晶体完全反射具有特定波长的电磁波。该种完全被反射的电磁波的频率在被称作“光子学带隙”的特定范围内。

当电磁波进入周期介电构造体时，由布拉格衍射产生两种驻波。一种驻波在具有低介电常数的区域振荡，而另外一种驻波在具有高介电常数的区域内振荡。前者具有比后者大的能量级。即，能量级在彼此不同模式的两种驻波的能量级之间的波不能进入晶体，由此而产生光子学带隙。

因为如上所述的光子学带隙是通过布拉格衍射产生的，所以它需要相应于波长的晶格常数，该晶格常数是在周期构造体中的重复周期。在介电常数之间的差异的增加，增加了在介电相的振动能级之间的差异，由此增大了光子学带隙。更高的介电常数降低了振动能。结果，光子学带隙就迁移到较低频率。

各种光子学晶体已经被开发出来。为了完全反射三维电磁波，需要在所有方向产生光子学带隙。适合该需要的光子学晶体包括例如金刚石结构。然而，因为金刚石结构复杂，因而难于制备这种金刚石结构。目前进行研究的是通过光造型(sterolithography)来制备光子学晶体的方法。

通过光造型制备光子学晶体的方法实例包括下面方法。

首先，例如，日本未审查专利申请出版物2000-341031公开了如下的一种用于制备光子学晶体的方法：用由含粉末介电陶瓷的可光固化树脂构成的复合材料，形成并依次堆积各自具有多个棒条的二维基本结构，以通过光造型制备光子学晶体。

其次，例如，日文译文专利出版物(Janpanese Translation PatentPublication)2001-502256公开了一种如下的方法：制备由可光固化树脂构成的具有在预定位置形成的空隙的三维造型体(three-dimensionalcomponent)，然后由分散有介电陶瓷粉末的树脂构成的复合材料填入到缝隙中。

例如，日本未审查专利申请出版物2001-237616公开了一种不使用光造型的方法，在该方法中，将含有粉末介电陶瓷的涂层以点状图形印刷在含有粉末高介电陶瓷的印刷电路基板上，然后所得印刷电路基板层叠并烧结。

然而，上述方法存在问题。

由在日本未审查专利申请出版物2000-341031和日文译文专利出版物2001-502256中公开的这些方法，难于制备包含具有高介电常数的低损耗介电体的光子学晶体，这是因为在这些专利出版物中公开的方法中，分散有粉末介电陶瓷的树脂构成的复合材料被用作电介质。

日本未审查专利申请出版物2000-341031中公开的方法应用由混合有粉末介电陶瓷的树脂构成的复合材料的介电常数与存在于由复合材料构成的棒条之间的空气的介电常数之间的差异。在该情况下，因为复合材料的介电常数是通过树脂和粉末介电陶瓷的混合比来决定的，因此上述在这些介电常数之间的差异仅通过复合材料的介电常数决定的。结果，所得光子学带隙的范围是有限的。

在日本未审查专利申请出版物2000-341031和日文译文专利出版物2001-502256中公开的每种方法中，需要供应液体光固化树脂，以通过逐步降低平台而在平台上形成具有预定厚度的层。因此，使用具有高粘度的液体可光固化树脂几乎不能形成任何形状。所以，特别是在日文译文专利出版物2001-502256中公开的方法中，当粉末介电陶瓷与液体可光固化树脂混合时，粉末介电陶瓷的含量受到限制，即限制在约60％的上限。即使当粉末介电陶瓷的含量为约60％时，该复合材料的介电常数为约所使用的介电陶瓷的介电常数的1/4或以下。因此，不能满意地制备出高反差的光子学晶体。

另一方面，在日本未审查专利申请出版物2001-237616中公开的方法中，因为由粉末低介电陶瓷构成的点只能印刷，这些点却不能以基本上三维形状形成。而且，这些点不能位于沿层叠方向的所需的位置上，这是因为由印刷电路基板导致的限制的缘故。此外，因为在烧结时印刷电路板和点收缩，因此，难于在烧结体的所需周期上排列这些点，因而难于形成所需的光子学带隙。

发明概述

为克服上述问题，本发明的优选实施方案提供一种用于制备三维光子学构造体的方法以及通过该方法制备的三维光子学构造体。

本发明的优选实施方案提供一种用于制备具有多个由无机材料构成的无机构件和由可光固化树脂材料构成的、在其内安置有多个无机构件的树脂基体的三维光子学构造体的方法。为克服上述问题，该方法包括下列步骤。

制备多个无机构件和可光固化树脂材料。进行光造型步骤：沿着层叠方向相继并重复固化由可光固化树脂材料构成的层叠层，以形成三维造型体，以便在被三维造型体中的无机构件占据的位置上形成填充有可光固化树脂材料的空腔，其中所述三维造型体具有由可光固化树脂材料构成的多个固化树脂层被层叠的结构。当在光造型步骤过程中在闭合空腔之前形成凹部时，进行将无机构件嵌入到凹部的嵌入子步，每一个凹部至少为相应空腔的一部分并且具有每个无机构件可以通过的开口，在每个凹部的表面和相应无机构件之间的每个间隙都填充有可光固化树脂材料。在每个间隙之间中的可光固化树脂材料可热固化。

用于制备本发明优选实施方案的三维光子学构造体的方法还包括以下步骤：预先生成三维造型体形状的三维数据，从三维数据生成分层数据(slice data)，所述的分层数据通过在基本上垂直于三维造型体层叠方向的方向上分层三维造型体而生成，然后从分层数据生成用于扫描激光的光栅数据，其中，在光造型步骤中，可光固化树脂材料优选通过扫描根据光栅数据的激光而以层形式被重复固化。

优选使用具有比光固化树脂材料的介电常数更大的介电常数的无机构件。在该情况下，无机构件优选为陶瓷烧结体。

所使用的可光固化树脂材料优选为能够在可光固化树脂内形成多个气孔。

本发明也涉及一种通过上述方法制备的三维光子学构造体。

如上所述，根据本发明的优选实施方案，通过光造型步骤，制备了具有由光固化树脂材料构成的多个固化树脂层层叠的结构并具有包含光固化树脂材料的空腔的三维造型体。此外，当在光造型步骤过程中闭合空腔之前形成的凹部时，无机构件嵌入到凹部中，所述每一个凹部至少为相应空腔的一部分。可光固化树脂材料保留在凹部中。然后，在空腔内的可光固化树脂材料进行热固化。因此，多个无机构件被安置在具有精确度的所需周期位置上。

而且，无机构件可以单独制备。因此，在嵌入到凹部之前，无机构件的介电常数、尺寸、形状和其它方面都可以根据需要调节。这些介电常数、尺寸、形状和其它方面都保存在所得到的三维光子学构造体中。另外，多个无机构件之间的距离可以根据需要而设定。

因此，由本发明优选实施方案的三维光子学构造体，获得了对应于所需要波长的光子学带隙的作用。也获得了满意的宽光子学带隙。结果，具有特定波长的电磁波可以在高反差的条件下屏蔽。例如，可以制备高效率的电磁波过滤器和电磁屏障。

本发明的优选实施方案包括以下步骤：预先生成三维造型体形状的三维数据，从三维数据生成分层数据，所述分层数据通过在基本上垂直于三维造型体层叠方向的方向上将三维造型体分层而形成，然后从分层数据生成用于扫描激光的光栅数据，其中，在光造型步骤中，可光固化树脂材料优选通过扫描根据光栅数据的激光而以层形式被重复固化。因此，可以有效进行在光造型步骤之前的制备步骤和光造型步骤。

如上所述，根据本发明的优选实施方案，因为无机构件的介电常数可以根据需要而调节，因此可以容易提供并使用具有比光固化树脂材料更大介电常数的无机构件。结果，可以制备在介电常数之间具有更大差异的光子学晶体。因此，容易增大光子学带隙。

使用陶瓷烧结体作为上述的无机构件没有在无机构件内产生介电常数的不均匀分布。因此，容易制备具有所需光子学带隙的三维光子学构造体。另外，该无机构件相对于温度和湿度都稳定。

在本发明的优选实施方案中，与没有气孔的可光固化树脂材料相比，在可光固化树脂材料内能够形成多个气孔的可光固化树脂材料降低了在三维光子学构造体中的树脂基体的介电常数。因此，获得树脂基体和无机构件之间的介电常数的更大差别。

从下面参考附图的优选实施方案的详细描述中，本发明的其它特征、要素、步骤、性能和优点都将变得更加清楚。

附图简述

图1所示为本发明优选实施方案的三维光子学构造体的透视图，其中三维光子学构造体的上部被切开。

图2说明了生成三维造型体的分层数据的步骤，以制备图1所示的三维光子学构造体。

图3是在制备三维光子学构造体的光造型步骤中使用的光造型仪(stereolithograph)的正视示意图。

图4是三维造型体的部分横截面图并图示了在用图3所示的光造型仪按时间顺序进行的光造型步骤中在某些点上的状态。

图5所示为电磁波在根据本发明的一个优选实施方案制备的三维光子学构造体中的传播特性。

图6是图示根据本发明的另一个优选实施方案的三维光子学构造体的正视示意图。

优选实施方案详述

现在参考图1描述根据本发明一个优选实施方案的三维光子学构造体1。在图1中，为了示出三维光子学构造体1的内部结构部分，图示了三维光子学构造体1的上部被切断的三维光子学构造体1。

该三维光子学构造体1提供有多个由无机材料构成的无机构件2和在其中放置有多个无机构件2的树脂基体3，所述树脂基体3由可光固化树脂材料构成。

每个无机构件2优选具有比树脂基体3的介电常数更大的介电常数，例如为陶瓷烧结体。限定无机构件2的高介电陶瓷的实例包括BaTiO₃、PbTiO₃、NaVO₃、(Ba，Sr)TiO₃、KNbO₃、LiTaO₃、(Ba，Pb)ZrO₃、Pb(Mg，W)ZrO₃、Pb(Mg，Nb)ZrO₃、Pb(Zr，Ti)O₃、CaTiO₃和TiO₂。而且，限定无机构件2的材料并没有限制于上述的高介电陶瓷，但也包括例如高介电材料的晶体(可以使用单晶)和由高介电材料构成的复合物。

如上所述，由高介电材料构成的无机构件2容易具有比由包含粉末介电陶瓷的树脂构成的复合材料的介电常数更高的介电常数，并且在无机构件内获得均匀的介电常数。另外，由陶瓷烧结体构成的无机构件2相对于例如温度和湿度是稳定的。

在该优选实施方案中，无机构件2具有球形形状。然而，无机构件2的形状并不是限制于球形形状，并且可以包括例如棱柱、多面体、菱面体、锥形和圆柱形。

限定树脂基体3的可光固化树脂材料的实例包括：环氧可光固化树脂和丙烯酸酯可光固化树脂。为了调节这些光固化树脂的介电常数，例如，可以将介电陶瓷粒子混合并分散到这些树脂材料中。

在图1所示的三维光子学构造体1中，只有无机构件2才有局部图示。事实上，配置多个无机构件2，以形成例如金刚石结构。

为制备图1所示的三维光子学构造体1，进行下列步骤。

要使用计算机辅助设计(CAD)程序设计对应于待制备的三维光子学构造体1的树脂基体3的三维造型体，然后转换成光造型(STL)数据，该数据是由三角网近似的三维数据。

将STL数据输入至计算机中。如图2所示，从该STL数据中生成分层数据。该分层数据通过沿着垂直于三维造型体4的层叠方向的平面5将三维造型体4分层而生成。

接着，从分层数据中生成栅格数据。该栅格数据起着用于控制从激光光源7中发射的激光8如紫外激光扫描方式的扫描数据的作用，所述激光光源7装备有图3所示的光造型仪6。

因此，如图2所示，确定被在三维造型体4由无机构件2三维占据的位置9。

制备限定三维光子学构造体1的多个无机构件2和可光固化树脂材料，然后。用图3所示的光造型仪6进行光造型。

图3是光造型仪6的正视示意图。

该光造型仪6提供有含有可光固化树脂材料10的浴器11。用于在平台12上制备三维造型体4(见图4)的平台12安置于浴器11中。如箭头13所示，操作平台12，以便逐步降低至预定高度。

在平台12的上方安置扫描镜15，扫描镜15将从激光光源7发射的激光8反射至可光固化树脂材料10的液面14上。安置扫描镜15，以便可经根据光栅数据改变反射角。该激光8由扫描镜在由双头指针16指示的方向沿着液面14扫描。被激光8扫描到的可光固化树脂材料10的部分被固化。

如图3所示，安置平台12，以在平台12和液面14之间供给液体可光固化树脂材料10，以形成具有预定厚度例如约100μm的层。液面通过刮板进行调节，然后过量的可光固化树脂材料10返回到浴器11中。在该状态下，激光8根据上述的栅格数据扫描通过可光固化树脂材料10，这样可光固化树脂材料10在激光8辐照的部分固化成固化树脂层17。

接着，平台12在箭头13所指的方向上移动，以便在所得固化树脂层17和液面14之间不断供应可光固化树脂材料，从而形成具有预定厚度的层。然后，激光8根据栅格数据重新扫描。以这种方式，形成由光固化树脂材料10构成的另一层固化树脂层17。

如上所述，重复用激光8辐照形成固化树脂层17和向下移动平台12。如此，包括由光固化树脂材料10构成的多个层叠的固化树脂层17的三维造型体4是通过沿着层叠方向从一端起相继固化由可光固化树脂材料10构成的层叠层而制备的。

如图4所示，当三维造型体4通过上述光造型步骤制备时，空腔18在由无机构件2占据的位置上形成。该空腔18填充有可光固化树脂材料10。图4图示了在光造型步骤中发生的状态；具体而言，图4(1)图示了在覆盖空腔18之前的状态。

如图4(1)所示，当凹部20，其每一个都包括在相应空腔18的至少部分中并且包含每个无机构件2可以通过的开口19，在覆盖空腔18之前都是完整的，如图4(2)所示，无机构件2嵌入到各个的凹部20中。此时，可光固化树脂材料10保留在每个凹部20的表面和相应的无机材料构件2之间。

在上述的将无机构件2嵌入到凹部20的步骤中，在每个凹部20的可光固化树脂材料10可以从开口19溢出。当可光固化树脂材料10的该溢出是不需要的时，溢出的可光固化树脂材料10可以用例如刮板除去。

在上述的嵌入无机构件2后，随后进行光造型步骤。如图4(3)所示，凹部20用相应的固化树脂层17覆盖，形成空腔18。

在参考图4的该优选实施方案中，当每个具有能够容纳整个无机构件2尺寸的凹部20形成时，将每个无机构件2嵌入。备选地，当每个具有能够只容纳例如无机构件2的下半部的凹部20形成时，可以将每个无机构件2嵌入到相应凹部20中。

备选地，当可光固化树脂材料10粘度低时，在凹部20基本形成之前，可以将该无机构件2安置在固化树脂层17中的预定位置上，然后可以形成空腔19。

因此，可以制备层叠有多个固化树脂层17的三维造型体4，该三维造型体4还包括多个位于预定位置上的空腔18，无机构件2位于相应的空腔18内，而在每个空腔18内填入可光固化树脂材料10。

接着，进行热固化在空腔18内的可光固化树脂材料10的步骤。在该热固化步骤中，热处理例如在60℃下进行4小时。通过该热固化步骤，使每个无机构件2与可光固化树脂材料10接触。当可光固化树脂材料10没有固化并且未与每个无机构件2接触时，在对应的无机构件2周围形成低介电部分。结果，有时不能根据需要形成光子学带隙。

通过上述制备方法制备了作为本发明实例的三维光子学构造体1，其晶格常数为约12mm且具有由稳定的氧化锆构成的无机构件2，所述的每个无机构件为球形形状并直径为约3mm。将该三维光子学构造体1放置在波导管中，然后测定它的电磁波传播特性。结果，如图5所示，观察到宽的光子学带隙。

图6是图示根据本发明的另一个具体优选实施方案的三维光子学构造体21的正视示意图。

在图6中，阴影部分表示含有如图1所示以恒定周期安置的无机构件的区域22，而其它部分表示不含无机构件、因而不含晶格的缺陷区域23。该缺陷区域23可以沿着层方向全部或部分形成。

即使对于如图6所示的包括缺陷区域23的三维光子学构造体21，根据本发明优选实施方案的方法也可以容易地形成。

如上所述，本发明参考优选实施方案进行描述。本发明可以在本发明的范围之内进行改进。

例如，在树脂基体3内具有多个气孔的三维光子学构造体可以用包含中空微胶囊的可光固化树脂材料10制备。在该情况下，可以获得具有更低介电常数的树脂基体3。

在上述的优选实施方案中，每个无机构件2具有比树脂基体3的介电常数大的介电常数。相反，例如，通过使用包含高介电陶瓷粒子的树脂基体3，每个无机构件2可以具有比树脂基体3的介电常数小的介电常数。

如此，可以选择无机材料部分和树脂基体的介电常数的组合，以根据需要调节光子学带隙。

在上述优选的实施方案中，彼此具有相同尺寸并由相同的材料构成的多个无机构件2安置在三维光子学构造体1中。备选地，可以提供相互具有不同尺寸和/或由不同材料构成的至少两种无机构件。即，当仅有具有相同尺寸和相同材料的无机构件以恒定周期安置时，产生了光子学带隙。因此，即使当多种无机构件安置在一个三维光子学构造体中时，在这些无机构件中，具有相同尺寸并由相同材料构成的无机材料只需要以恒定周期安置。

在上述的优选实施方案中，每个空腔具有对应于各个无机构件形状的形状。例如，当每个具有球形形状的无机构件嵌入时，每个空腔可以具有圆柱体形状。即，每个空腔并不总具有对应于各个无机构件形状的形状，前提条件是保持所需的位置。

可以将根据本发明的不同优选实施方案的三维光子学构造体用于制备例如高效电磁波过滤器和电磁波屏障，其需要在高反差的条件下屏蔽特定波长的电磁波。

虽然本发明就优选实施方案进行了描述，但对于本领域的普通技术人员而言，显而易见的是所公开的发明可以通过多种方式进行改进，并且可以采用很多种除上述具体描述外的其它实施方案。因此，意欲由后附权利要求涵盖本发明的所有落在本发明的实质和范围之内的改进。

Claims (10)

1.一种用于制备三维光子学构造体的方法，所述的三维光子学构造体包含多个由无机材料构成的无机构件和在其中安置有所述多个无机构件的树脂基体，所述的树脂基体由光固化树脂材料构成，所述方法包含如下步骤：

制备多个无机构件和可光固化树脂材料；

相继并重复进行光造型步骤，用于沿着层叠方向固化由可光固化树脂材料构成的层叠层，以形成三维造型体，以便在所述三维造型体中，填充有可光固化树脂材料的空腔被形成在将由所述无机构件占据的位置上，所述三维造型体具有其中层叠有多个由光固化树脂材料构成的固化树脂层的结构；

当在光造型步骤过程中闭合空腔之前形成凹部时，将无机构件嵌入凹部，每个所述凹部为相应空腔的至少一部分并具有每个所述无机构件可以通过的开口，在每个所述凹部的表面和相应的无机构件之间的每个缝隙填充有可光固化树脂材料；和

热固化保留在所述空腔中的可光固化树脂材料。

2.如权利要求1所述的用于制备三维光子学构造体的方法，进一步包含如下步骤：

预先生成三维造型体形状的三维数据；

从三维数据中生成分层数据，所述分层数据通过在基本上垂直于三维造型体的层叠方向的方向上，将三维造型体分层而生成；和

从分层数据生成用于扫描激光的栅格数据，其中，在光造型步骤中，可光固化树脂材料通过扫描根据栅格数据的激光而以层形式重复固化。

3.如权利要求1所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中每个所述无机构件具有比光固化树脂材料的介电常数大的介电常数。

4.如权利要求3所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中每个所述无机构件为陶瓷烧结体。

5.如权利要求1所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中所述可光固化树脂材料在可光固化树脂内形成有多个气孔。

6.如权利要求1所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中所述无机构件包括选自由BaTiO₃、PbTiO₃、NaVO₃、(Ba，Sr)TiO₃、KNbO₃、LiTaO₃、(Ba，Pb)ZrO₃、Pb(Mg，W)ZrO₃、Pb(Mg，Nb)ZrO₃、CaTiO₃和TiO₂组成的组中的高介电陶瓷。

7.如权利要求1所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中所述无机构件为球形。

8.如权利要求2所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中所述扫描激光为紫外激光。

9.如权利要求2所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中所述光造型步骤包括如下步骤：

提供一种含有可光固化树脂材料的浴器和用于制备三维造型体的平台，所述平台位于浴器中；

操作平台，以逐渐降低至预定高度，以便部分可光固化树脂材料安置在平台上；

用扫描镜，将从激光源中发射出的激光反射到安置在平台上的可光固化树脂材料上，以固化安置在平台上的可光固化树脂材料；和

重复操作平台和反射激光的步骤，以形成层叠层。

10.如权利要求1所述的用于制备三维光子学构造体的方法，其中每个所述凹部具有能够容纳整个一个所述无机构件的尺寸。

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