CN103018819B - 基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法。该方法的步骤如下：将聚二甲基硅氧烷薄膜紧贴在玻璃基片上，把高分子微纳光纤放置在聚二甲基硅氧烷薄膜上面；用电加热器加热聚二甲基硅氧烷层到压印温度，压印温度超过高分子微纳光纤的玻璃化转变温度；使用标准的商用平面反射型光栅作为模版，施加力在模版上，将光栅图案压印到高分子微纳光纤上；在高分子微纳光纤的表面上压印出布拉格光栅。通过纳米压印法制备的高分子微纳光纤布拉格光栅具有方法简单，成本低，适宜于大批量生产的特点。其应变传感的灵敏度比传统玻璃材料的灵敏度要高很多，这在激光器，传感器和纳米光机械系统等诸多领域中有着广泛的潜在应用。

Description

基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法

技术领域

本发明涉及布拉格光栅制备方法，尤其是涉及一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法。

背景技术

光纤布拉格光栅能够用紧凑的结构实现对特定波长的反射和透射，已经成为光子学连路和器件中必不可少的组成部分。近来，由于其高紧凑性，高光学限制性以及很强的与周围介质相互作用的特性，直径在波长量级的微纳光纤吸引了越来越多微型光子学器件研究领域的关注。而基于微纳光纤的布拉格光栅则继承了微纳光纤的优点，比如对环境改变的高灵敏度，体积小并且与光纤系统能很好兼容，可以被广泛应用于传感、激光、波导、光电子器件等领域，受到广泛的关注。高分子材料有很特别的性质，如可以掺杂各种功能性的物质，气体不但可以在表面吸附而且可以渗透进入里面，修饰及功能化方便，还有制作方便，韧性好和成本低的优点。另外与玻璃材料相比，高分子材料的杨氏模量很小，如聚甲基丙烯酸甲脂的杨氏模量为1GPa，而氧化硅的为70Gpa。这意味着高分子材料在弱力信号的测量方面有很大的优势。所以研制基于高分子材料的微纳光纤布拉格光栅有很大的优势。

目前几乎所有报道过的微纳光纤布拉格光栅都基于玻璃材料，如用聚焦的飞秒激光束加工的（文献“W.Liang, Y.Huang, Y.Xu, R.K.Lee, A.Yariv, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 151122”），或用聚焦离子束方法加工（文献“Y.X.Liu, C.Meng, A.P. Zhang, Y.Xiao, H.K.Yu, L. M.Tong, Opt. Lett. 2011, 36, 3115”）。这类方法需要极高的精确度控制以及复杂的光学或电学系统来实现，时间和物质耗费很大。

纳米压印技术在最近的10多年间有很大的发展，主要用于加工基于硅或者高分子基底上二维平面光栅，这种方法从来没有被用在加工一维的微纳光纤上。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法。该方法简单高效，成本低，适宜于大批量生产。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

1). 将聚二甲基硅氧烷薄膜紧贴在玻璃基片上，把高分子微纳光纤放置在聚二甲基硅氧烷薄膜上面；

2). 用电加热器从下面加热聚二甲基硅氧烷层到压印温度，压印温度超过高分子微纳光纤的玻璃化转变温度；

3). 使用一块标准的商用平面反射型光栅作为模版，通过施加力在模版上，将光栅图案压印到高分子微纳光纤上；

4). 经过压印后，关闭加热器，当玻璃基片冷却到常温时取下模版，这时，在高分子微纳光纤的表面上已经压印了布拉格光栅结构。

所述聚二甲基硅氧烷薄膜宽度为50 μm～10 mm，厚度为50 μm。

所述施加力为0.05 N～0.5 N。

所述压印时间为30 s～60 s。

所述高分子微纳光纤直径为200 nm～10 μm。

所述高分子微纳光纤材料为聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚碳酸酯或聚对苯二甲酸丙二醇酯。

本发明具有的有益效果是：

通过纳米压印法制备的高分子微纳光纤布拉格光栅具有方法简单，成本低，适宜于大批量生产的特点。其应变传感的灵敏度比传统玻璃材料的灵敏度要高很多，这在激光器，传感器和纳米光机械系统等诸多领域中有着广泛的潜在应用。

附图说明

图1是压印制备的微纳光纤布拉格光栅的示意图。

图2是制备的微纳光纤布拉格光栅的透射电镜照片图。

图3是高分子微纳光纤和光栅模版的沟槽深度随长度变化的原子力显微镜表征结果图。

图4是实施例1一根制备好的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的透射光谱。

图5是实施例2一根制备好的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的透射光谱。

图6是实施例3一根制备好的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的透射光谱。

图中：1、商用的平面反射型光栅模板，2、高分子微纳光纤，3、聚二甲基硅氧烷薄膜，4、玻璃基片，5、电加热器。 

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

制备以常用的聚甲基丙烯酸甲酯为高分子材料制备微纳光纤布拉格光栅，步骤如下：

1. 如图1所示，首先在玻璃基片4上放置一聚二甲基硅氧烷薄膜3作为机械支撑。然后把聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤2放置在聚二甲基硅氧烷薄膜3上面。聚二甲基硅氧烷薄膜的宽度为300 μm，厚度约50 μm。

2. 用电加热器5加热聚二甲基硅氧烷薄膜3和玻璃片4到 120℃，这个温度超过聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化温度（约为100℃）。

3. 使用一款商用的平面反射型光栅1作为压印模板，其周期为555 nm（每毫米1800线）。用一个三维精密调节架将光栅模版垂直地放置在聚二甲基硅氧烷薄膜3上，同时保证光栅平面平行于聚二甲基硅氧烷薄膜3层，光栅槽垂直于聚甲基丙烯酸甲酯高分子微纳光纤2的轴线。施加力为0.09 N。

4. 经过30 s后，关闭电加热器5。当玻璃基底4冷却到常温时小心地取下模版2。这时，在聚甲基丙烯酸甲酯高分子微纳光纤2的表面上已经压印了布拉格光栅结构。整个过程可以在10分钟内完成。

图2给出了压印后的电镜照片图。可以看到光栅的褶皱线与聚甲基丙烯酸甲酯线相垂直，且很均匀的沿着线的长度方向分布，没有明显的缺陷变形。

图3给出了使用原子力显微镜表征的一段宽度为1.2 μm 聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的表面轮廓结构及光栅模板的结果。通过对比可以发现，光栅模板周期为555 nm，压印的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的周期为551 nm，深度为80 mn。聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅上和模板之间4 nm的周期差主要是由于在压印过程中材料不同的热膨胀系数所致。这些数据表明压印的高分子微纳光纤布拉格光栅结构很好地复制了模版的光栅结构。

图4给出了一根宽度为2.3 μm，厚度为1.4 μm，光栅长度为200 μm的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的透射光谱。可以看到透射光谱中有1517 nm和1555 nm两个峰。实验结果跟理论计算结果很好地相对应。验证了纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅的里面的光栅效应。

实施例2：

同样制备以常用的聚甲基丙烯酸甲酯为高分子材料制备微纳光纤布拉格光栅，该方法的步骤和制备纳米带的步骤不同的是施加力为0.5 N，所用的聚二甲基硅氧烷薄膜的宽度为300 μm。其它步骤及参数与实施例1相同。

图5给出了一根宽度为1.8 μm，厚度为1 μm，光栅长度为300 μm的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的透射光谱。可以看到透射光谱峰值为1518 nm。实验结果跟理论计算结果也很好地相对应。验证了纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅的里面的光栅效应。

实施例3：

同样制备以常用的聚甲基丙烯酸甲酯为高分子材料制备微纳光纤布拉格光栅，该方法的步骤和制备纳米带的步骤不同的是施加力为0.05 N，所用的聚二甲基硅氧烷薄膜的宽度为100 μm。其它步骤及参数与实施例1相同。

图6给出了一根宽度为1.1 μm，厚度为400 nm，光栅长度为100 μm的聚甲基丙烯酸甲酯微纳光纤布拉格光栅的透射光谱。可以看到透射光谱峰值为1490 nm。实验结果跟理论计算结果也很好地相对应。验证了纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅的里面的光栅效应。

Claims (6)

1.一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法，其特征在于该方法的步骤如下： 

1). 将聚二甲基硅氧烷薄膜紧贴在玻璃基片上，把高分子微纳光纤放置在聚二甲基硅氧烷薄膜上面；

2). 用电加热器从玻璃基片的下面加热聚二甲基硅氧烷层到压印温度，压印温度超过高分子微纳光纤的玻璃化转变温度；

3). 使用一块标准的商用平面反射型光栅作为模版，通过施加力在模版上，将光栅图案压印到高分子微纳光纤上；

4). 经过压印后，关闭加热器，当玻璃基片冷却到常温时取下模版，这时，在高分子微纳光纤的表面上已经压印了布拉格光栅结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷薄膜宽度为50 μm～10 mm，厚度为50μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法，其特征在于：所述施加力为0.05 N～0.5 N。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法，其特征在于：所述压印时间为30 s～60 s。

5.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法，其特征在于：所述高分子微纳光纤直径为200 nm～10 μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于纳米压印的高分子微纳光纤布拉格光栅制备方法，其特征在于：所述高分子微纳光纤材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸丙二醇酯。

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