CN101489942A - 纳米结构材料的制造 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造复合材料/器件例如梯度折射率透镜或任何DOE的方法，所述方法包括：将至少两种不同材料的纤维或棒堆叠在一起，以及拉伸所述纤维或棒。使用此方法，可以容易地制造具有纳米尺度特征的器件。

Description

纳米结构材料的制造

本发明涉及一种用于纳米结构材料的制造方法以及由其形成的纳米结构器件。本发明对于光学领域具有特别的适用性。

发明背景

微米尺度表面浮凸元件的设计和制造是成熟和高度灵活的技术。当前的制造技术包括掩模的激光写入和电子束写入，随后光刻和蚀刻，或直接激光和电子束写入。例如，Mohammad R.Taghizadeh等在1994年12月的IEEE微处理机与微型计算机杂志(IEEE Micro)的第14卷，第6期，第10-19页中描述了一种制备衍射光学元件的技术。然而，这些已知技术的分辨率受到限制。这意味着不可能容易地制造许多小尺度的器件。另外，大多数的已知技术不适于相对高生产量的应用。

发明概述

根据本发明的一个方面，提供一种用于制造复合材料/器件的方法，所述方法包括将至少两种不同材料的纤维或棒堆叠在一起，以及拉伸所述纤维。

通过重复拉伸所述纤维或棒，可以制造小尺度的复合器件。实际上，可以制备具有纳米尺度特征，例如尺寸小于100nm的特征的器件。

本发明的技术特别适于小尺度光学元件的制造。在此情况下，材料可以是电介质，并且可以具有不同的折射率。

通过不同光学材料的适当分布，可以得到具有任意折射率的梯度折射(gradient index)率材料。这在新的折射、微-光学和衍射元件例如梯度折射率透镜或任何的衍射光学元件(DOE)的设计和形成中是特别有用的。

该方法可以包括，加热纤维或棒，使得它们熔融在一起，从而充分填满它们之间的任何间隙或孔。

本发明可以被用于制备很多不同的器件，例如1D和2D阵列、单个的微透镜、光子带隙材料和纳米结构DOE。

附图简述

现在将仅通过实施例并且参考附图描述本发明的不同方面，在所述附图中：

图1是显示用于制造纳米尺度光学器件的步骤的流程图；

图2是使用图1的技术制造出的光学器件的横截面；

图3(a)是在直径为40微米的理想1D抛物线梯度折射率透镜的焦平面上的强度分布的模拟；

图3(b)是在图3(a)透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟；

图4(a)是在直径为40微米的纳米结构微透镜的焦平面上的模拟强度分布；

图4(b)是在图4(a)透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟；

图5(a)是直径为10微米的理想2D抛物线梯度透镜的表示；

图5(b)是被设计具有与图5(a)的透镜相同的性质的纳米结构透镜的表示；

图6(a)显示在图5(b)的纳米结构微透镜的焦平面上的强度分布的模拟，和

图6(b)显示在图5(b)的透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟。

附图详述

本发明基于公认的“堆叠并拉伸(stack and draw)”制造方法，所述制造方法当前用于成像板和双玻璃光子晶体的制备。此方法示例于图1中。该堆叠并拉伸方法之前仅被用于拉伸相同组成的材料。相反，在本发明中，使用许多不同的材料，从而形成复合材料以及由这样的复合材料形成的器件。

制造从宏观的预型体的组装开始，所述宏观的预型体具有与最终材料中所期望的结构和图案相同的结构和图案。为了制备这样的宏观预型体，如图1B中所示例，优选将大量的棒或纤维例如玻璃棒或纤维，以期望的结构和图案堆叠在一起。这些棒可以使用标准拉伸技术或任何其它的适当技术制造。棒或纤维应当优选具有类似的直径，优选约1mm，并且是热匹配的，使得它们的热膨胀系数、软化点和转变温度应当接近。当这些条件满足时，最终材料将具有最小的内部张力，并且在采用玻璃棒的情况下，具有类似于单片玻璃板的机械性质。

成束的棒被加热到足以使它们软化并粘合在一起，并且允许将它们拉伸成一个单棒的温度。拉伸可以在任意适当的拉伸结构中进行。在使用玻璃纤维的情况下，此结构可以是纤维-拉伸塔(fiber-drawing tower)。对于玻璃，此塔的温度应当在1200至1600摄氏度的区域内。在拉伸以后，此拉伸的棒可以被固化并且被切割成许多中间预型体。然后这些中间预型体被捆扎在一起，以形成如图1d中所示例的最终图案。通过下列方法加工此束状物以产生如图1e中所示例的最终的纳米结构预型体：施加充分的热以将预型体粘合在一起，随后通过将经加热的预型体牵引穿过拉伸结构而‘拉伸’材料。此最终结构预型体可以具有纳米特征尺寸。

在必要或期望时，可以重复堆叠和拉伸步骤，或可以将许多的不同最终纳米结构的预型体组合，以制备结构的阵列，而非单个结构。在此情况下，将最终纳米结构预型体切割许多次，或制造许多的不同最终纳米结构的预型体，并且将所得到的预型体捆扎在一起，如上所述通过施加热和拉伸来加工，以得到由纳米结构预型体的阵列即纳米结构预型体阵列组成的单棒。在使用玻璃棒和纤维拉伸塔的情况下，此纤维拉伸塔的温度应当在1200至1600摄氏度的范围内。

最后，如图1f中所示例的，将基本上为棒形式的纳米结构预型体或纳米结构预型体阵列切割成具有根据期望的设计功能性的长度的段，以得到最终的纳米结构材料。此步骤并非在每一种情况中都是必须的。如果纳米结构预型体或纳米结构预型体阵列已经具有足够的长度，则可能不需要切割，并且可以被认为是最终的纳米结构材料，而不需要任何的进一步操作。必要时，如图1g中所示例的，然后可以将该材料抛光。此外，此步骤并非在每一种情况中都是必须的，仅在如果要将最终的纳米结构材料用作光透射器件，而它们的末端的精度(quality)不足以允许光的进入和离开的情况下才是必须的。例如，如果施加到材料的切割具有足够高的精度，则可以根本不需要任何抛光。

为了开发使用其中体现了本发明的技术的新的光学元件，首先必须模拟期望的器件性质。这可以例如通过计算元件的相位剖面(phase profile)，优选连续相位剖面来进行。连续的相位剖面的具备导致最佳的性能输出。这是因为它更接近于常规器件例如透镜的剖面，而非二元相结构。相差可以大于2π。一旦确定相位剖面，就计算纳米尺寸元件以2D矩阵形式的分布。在此阶段，通过设计最终需要的元件并且将需要的相分布转化成折射率分布，以确定体积介电材料(volume dielectric material)的光学性质。然后可以将此折射率分布用作确定要在拉伸方法中使用的各种预型体的不同材料的位置和分布的基础。一旦器件被模拟，就如上所述制造预型体，并且将其用于制备中间预型体。然后，拉伸中间预型体并且形成纳米结构预型体。然后，最终纳米结构预型体被切割、捆扎、加热并且拉伸，并且随后被切割成具有适合用于纳米结构光学元件的长度的片(plate)。必要时，将切割表面抛光，以得到光学性能。

图2显示了根据本发明制造的纳米结构透镜的实例。如可以看到，其具有平坦的光学表面，并且由许多具有不同折射率的材料形成。该材料具有穿过并且沿整个器件的光学路径延伸的柱的形式。如上所指出的，通过适当地设计和选择不同材料的分布，可以提供任意的光学功能。这相比于现有技术具有许多优点。具有平坦的表面意味着，可以容易地对器件进行进一步加工，例如，进行抛光或涂料的涂敷。同样地，在一些情形下，器件不需要进一步的加工。这可能是相对于制造例如凹透镜或凸透镜的常规技术的一个显著优点，这样的常规技术需要使用精心的成型和抛光技术。

为了将使用本发明制造的纳米结构微透镜的性质与‘理想的’抛物线标准梯度折射率微透镜进行比较，进行了一系列的有限差时域(FDTD)模拟，所述‘理想的’抛物线标准梯度折射率微透镜在中部具有高的折射率并且在更靠近边缘处具有低的折射率。这些的结果显示于图3至6中。

在第一组模拟中，研究了直径为40μm，有效焦距

66μm并且f-数1.5的1D透镜。假定TM极化的波长为λ＝1550nm并且空间离散化为50nm/单元(λ/30)。对常规的理想抛物线梯度折射率透镜所进行的模拟的结果示例于图3中，其中图3(a)是在直径为40微米的梯度折射率透镜的焦平面上的强度分布的模拟，而图3(b)是图3(a)的透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟。对使用仅两种类型的玻璃的纳米棒的根据本发明制备的纳米结构微透镜所进行的模拟的结果示例于图4中，其中图4(a)是在直径为40微米的纳米结构微透镜的焦平面上的模拟强度分布，而图4(b)是在图4(a)的透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟。由图3和4可以看到，根据本发明的器件的特性与常规透镜的那些特性相比，非常良好。

在另一个模拟中，对如图5(b)中所示的平坦片状纳米结构微透镜进行模拟，使其性质类似于如图5(a)中所示的直径为10μm的理想2D抛物线梯度折射率透镜的性质。假定模拟的纳米结构微透镜由折射率是根据本发明由分别为n＝1.619(F2玻璃)和n＝1.518(NC21玻璃)的两种类型的棒制造的。图6(a)和(b)显示了对纳米结构微透镜的模拟结果。其具有f155.75μm的焦距并且光束聚焦时的直径等于5μm-与抛物线梯度折射率透镜相同。两种微透镜都具有相同的有效焦距和光束聚焦时的直径。另外，如图6(b)中所示，与理想梯度折射率透镜的情况一样，纳米结构微透镜的焦点的直径受衍射限制。因此，这些模拟显示，使用本发明可以得到具有与‘理想的’梯度折射率微透镜类似的参数的纳米结构微透镜。

本发明提供了许多益处。例如，它允许制造没有任何曲率的具有平坦光学表面的光学器件。这对于微透镜和DOE是有用的。另外，可以容易地以接近100％的填充系数以2D阵列集成器件。而且，可以得到任意的相位剖面。这意味着，可以生产任何期望的器件，例如，透镜，尤其是，球面透镜、非球面透镜、椭圆透镜、圆柱面透镜、旋转三棱镜，以及具有或没有双焦点的透镜。使用本发明，所有这些透镜都可以被制造成具有微米或纳米尺度特征。而且，2D阵列元件中的每一个元件都可以被布置得具有单独的特征和相位性质。而且，通过适当地布置不同的纤维或棒，单个的器件可以被布置得具有几种不同的功能。例如，一个区域可以被设计为非球面透镜，同时另一个可以是旋转三棱镜。这有助于制造在单个平板器件中的完全集成光学系统。

技术人员将意识到，在不背离本发明的情况下，公开方案的变化是可以的。例如，尽管本发明已经主要地参考拉伸玻璃纤维进行了描述，但是应当意识到可以使用其它材料。同样地，每一种棒或纤维不需要由单一的材料制成，而是可以例如包含芯材料例如玻璃，并且可以被涂布上另一种材料。因此，以上对具体实施方案的描述仅通过实施例而进行，而不是为了限制的目的。技术人员应当清楚的是，对上述操作可以进行微小的变化，而不是进行显著的更改。

Claims (17)

1.一种用于制造复合材料/器件的方法，所述方法包括：将至少两种不同材料的纤维或棒堆叠在一起，以及拉伸所述纤维或棒。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：切割拉伸的材料以制备许多复合棒或纤维；将所述复合棒或纤维堆叠在一起，并且拉伸所述复合的堆叠棒或纤维。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括：重复切割、堆叠和拉伸的步骤。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中重复所述堆叠和拉伸的步骤，直至限定纳米尺度的特征。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，所述方法包括将不同的材料堆叠在一起。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括根据预先确定的分布布置所述不同的材料。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述不同的材料具有不同的光学性质。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述不同的性质是不同的折射率。

9.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中所述器件是光学元件，例如透镜，例如梯度折射率透镜，或衍射光学元件(DOE)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述方法包括加热所述纤维或棒，使得它们熔融在一起，从而基本上填满它们之间的任何间隙或孔。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在拉伸所述堆叠的纤维或棒之前，进行加热。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：分布所述棒或纤维，以限定一种或多种具有一种或多种不同功能的器件。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法包括使用具有一种或多种基本上相同的热性质的材料。

14.一种器件，所述器件是前述权利要求中任一项所述方法的产品。

15.一种光学器件，所述光学器件具有许多不同光学材料的堆叠棒或纤维。

16.一种包括许多光学器件的集成光学系统，所述许多光学器件中的每一个都通过使用许多堆叠棒或纤维的折射率变化限定。

17.一种如权利要求16所述的集成光学系统，所述集成光学系统具有平行板光学表面。

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