CN105607170B - 一种光驱动柔性可调光栅及其制备方法 - Google Patents

一种光驱动柔性可调光栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光驱动柔性可调光栅及其制备方法，包括中间为聚二甲基硅氧烷薄膜，两端为石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜，两侧固定在夹具上，栅格间距可随第一808nm近红外激光器和第二808nm近红外激光器照射石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜的光强大小、照射时间等变化的柔性可调光栅。本发明中的柔性可调光栅在近红外激光器照射下，可以连续调节石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜的伸缩变形从而改变光栅的间距，改变柔性可调光栅的工作波长，实现实时、全光型驱动调谐。

Description

一种光驱动柔性可调光栅及其制备方法
技术领域
本发明属于衍射光学元件技术领域，特别涉及一种光驱动柔性可调光栅及其制备方法。
背景技术
普通光栅由于半导体加工工艺的需要，多使用硅、二氧化硅或其它氧化物、氮化硅或其它氮化物等无机材料制作，制成后的光栅在一般工作条件下，其栅距是固定的，只工作于特定波长范围。由于光栅本身无法改变工作波长，当需要对不同的光进行选择时，需要更换不同的光栅。与普通光栅不同，可调光栅可以通过改变周期来选择不同波长的光或将某一波长的光偏转不同的角度，在微型光谱仪、扫描仪、光通信等领域应用广泛。
目前可调光栅的基本调谐方式有：机械调谐、电流调谐和温度调谐。机械调谐是利用平移台等设备沿光栅栅线的方向移动，实现可调光栅的周期调谐过程，对设备的要求很高，系统体积较大，不易挪动；电流调谐主要通过静电梳齿或者薄膜压电驱动光栅，改变其光栅周期，从而达到改变衍射光束方向的目的，但运用静电力式或者压电式来驱动可调光栅，其衍射角扫动范围只能局限于毫弧度，光栅周期改变量仅为几个纳米，所需模拟电压非常大，不能满足实际需要。
温度调谐则主要通过电加热方法改变光栅材料的温度，当电源接通或切断时，光栅温度改变，光栅周期变化，但该方法中仍有电流或电压的输入，存在电路短路、放电等安全隐患，并不适用于易燃易爆气体的光谱监测。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光驱动柔性可调光栅及其制备方法，该可调光栅结构设计合理、简单易制备，在近红外激光器照射下，可以连续调节石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜的伸缩变形从而改变光栅的间距，改变柔性可调光栅的工作波长，实现实时、全光型驱动调谐。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种光驱动柔性可调光栅，由聚二甲基硅氧烷薄膜和设置在聚二甲基硅氧烷薄膜两端的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜组成；在近红外激光器照射下，该柔性可调光栅的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜能够发生伸缩变形改变栅格间距。
近红外激光器通过照射石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜使所述柔性可调光栅的栅格间距发生变化。
石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为5～15μm；聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为5～15μm。
在该柔性可调光栅底部设有用于固定栅格间距的光栅模板。
本发明还公开了一种光驱动柔性可调光栅的制备方法，包括以下步骤：
1)根据所需光栅的工作波长，制备一个用于固定栅格间距的光栅模板；
2)将聚二甲基硅氧烷涂覆在光栅模板上，再将石墨烯-聚二甲基硅氧烷涂覆在聚二甲基硅氧烷两侧，获得厚度一致的液态有机物；
3)对步骤2)得到的液态有机物进行真空干燥，直至其固化后，剥离形成与光栅模板的栅格间距一致的柔性可调光栅，该柔性可调光栅中间为聚二甲基硅氧烷，两端为石墨烯-聚二甲基硅氧烷。
制得柔性可调光栅后，还包括将柔性可调光栅固定在夹具上并预拉伸至所需长度的操作步骤。
所述夹具采用聚乙烯制成，柔性可调光栅的栅格结构与夹具预拉伸方向呈平行角度或正交角度。
柔性可调光栅通过螺栓固定在夹具上。
所用聚二甲基硅氧烷，是将主剂与固化剂按所需比例配合而成，主剂为聚酯预聚合物，固化剂为带乙烯基侧链的预聚物及带乙烯基侧链的交联剂。光栅模板由单晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝或碳化硅制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种光驱动柔性可调光栅，由聚二甲基硅氧烷薄膜和设置在聚二甲基硅氧烷薄膜两端的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜组成；该柔性可调光栅结构能够通过控制近红外激光器的光照强度和照射时间改变光栅工作波长，光栅周期变化范围大，实现实时地全光型驱动调谐。
本发明还公开了上述光驱动柔性可调光栅的制备方法，通过利用光驱动石墨烯/聚二甲基硅氧烷变形原理和聚二甲基硅氧烷薄膜弹性，制作和驱动柔性可调光栅，可调光栅调谐操作简单、便携，该方法操作简单，生产成本低，无需电流或电压的输入，光栅周期变化范围大，实现光栅周期的实时地全光型驱动调谐。
附图说明
图1为本发明柔性可调光栅与光栅模板的结构示意图；
图2为本发明涉及的柔性可调光栅结构示意图；
图3为本发明柔性可调谐光栅光驱动调谐的结构示意图；其中，(a)为第一808nm近红外激光器关闭，第二808nm近红外激光器关闭的状态；(b)为第一808nm近红外激光器打开，第二808nm近红外激光器打开的状态。
其中，1为光栅模板；2为柔性可调光栅；3为聚二甲基硅氧烷薄膜；4为石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜；5为第一808nm近红外激光器；6为第二808nm近红外激光器；7为夹具；8为螺栓。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图2，本发明公开的一种光驱动柔性可调光栅，由聚二甲基硅氧烷薄膜3和设置在聚二甲基硅氧烷薄膜3两端的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜4组成；在近红外激光器照射下，该柔性可调光栅2的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜能够发生伸缩变形改变栅格间距。近红外激光器通过照射石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜使所述柔性可调光栅2的栅格间距发生变化。
在该柔性可调光栅2底部设有用于固定栅格间距的光栅模板1，如图1所示。
如图3中(a)和(b)所示，涉及的柔性可调光栅，包括第一808nm近红外激光器5，第二808nm近红外激光器6，柔性可调光栅2固定在柔性可调光栅2两侧的夹具7上，并通过螺栓8拧紧，柔性可调光栅2中间为聚二甲基硅氧烷薄膜3，两侧为石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜4，第一808nm近红外激光器5和第二808nm近红外激光器6分别照射在柔性可调光栅2两侧的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜4上，栅格间距可随第一808nm近红外激光器5和第二808nm近红外激光器6发出的光强大小、照射时间等变化，在光驱动作用下，第一808nm近红外激光器5和第二808nm近红外激光器6发出的光将使石墨烯-聚二甲基硅氧烷4发生收缩变形，改变柔性可调光栅在一维方向上的栅格间距，从而改变其中心工作波长，实现对柔性可调光栅工作波长的调谐。本发明光栅的工作波长可以在线性性范围内通过控制第一808nm近红外激光器和第二808nm近红外激光器的光照强度和照射时间实时地根据需要向长波长或短波长方向调谐，调谐的波长具有连续性和实时性。
本发明涉及的制备方法，具体如下：
如图1和图2所示：首先制备一个固定栅格的光栅模板1，根据所需的光栅工作波长，选择相应的光栅间距d1，然后在光栅模板1上形成光栅，光栅栅格结构可以利用干涉法、蚀刻、光刻等方法制备。光栅模板1由无机材料衬底制成，衬底材料要求平整光滑，该材料通常为氧化物，氮化物，本发明实施例中优选材料为单晶硅。
在光栅模板1制作完备后，聚二甲基硅氧烷的主剂与固化剂一定比例配合后涂覆在光栅模板1上，(主剂为聚酯预聚合物，固化剂为带乙烯基侧链的预聚物及带乙烯基侧链的交联剂。例如，美国道康宁Dow Corning的Sylgard 184，其中，主剂与固化剂的质量比为10：1)。将一定质量百分比的石墨烯加入到聚二甲基硅氧烷并均匀搅拌得到液态的石墨烯-聚二甲基硅氧烷，(其中，石墨烯占石墨烯和聚二甲基硅氧烷总质量的2％～10％)，并在聚二甲基硅氧烷与光栅模板1栅线方向平行的平流边缘涂覆石墨烯-聚二甲基硅氧烷，石墨烯-聚二甲基硅氧烷在光栅模板1上采用自然平流的方式，获得厚度一致的液态有机物，真空泵抽取空气，后放置在真空干燥箱内，保持75摄氏度，0.5个大气压的真空3小时，当液态有机物固化后，将中间为聚二甲基硅氧烷薄膜3，两端为石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜4的柔性可调光栅2剥离，形成与模板光栅1间距一样的柔性可调光栅2。
本发明中柔性可调光栅材料还可为其他材料，而本实施例涉及的干燥温度、干燥时长等环境参数可根据所选择的材料设置，主要用于加快液态有机物的固化。本实施例中在常温常态下柔性可调光栅2的栅格间距为d1，另外一个表面为光滑平整面。
采用聚乙烯制成的夹具7，将柔性可调光栅2两侧固定在两个夹具7上，通过螺栓8拧紧，并预拉伸一定长度。
如图3(a)所示：第一808nm近红外激光器5和第二808nm近红外激光器6都关闭，柔性可调光栅2栅距不变，如图3(b)所示：第一808nm近红外激光器5和第二808nm近红外激光器6分别照射在柔性可调光栅2两侧的石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜4上，石墨烯/聚二甲基硅氧烷薄膜4在与柔性可调光栅2栅距平行方向发生收缩变形，夹具7的位置不变，带动聚二甲基硅氧烷薄膜3在相同方向发生伸长，从而使得柔性可调光栅2的栅格间距由d1变为d2，柔性可调光栅2的栅格间距变为d2后其中心工作波长相应改变，从而实现对光栅工作波长的调谐。
本实施例只是利用该方法实现可调谐光栅结构的一种，利用相似的方法可以实现其它类似结构的可调谐光栅。本实施例中最终形成的可调谐光栅的栅格结构处于一维平面，利用该办法还可以在二维平面上实现可调谐光栅。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种光驱动柔性可调光栅，其特征在于，由聚二甲基硅氧烷薄膜(3)和设置在聚二甲基硅氧烷薄膜(3)两端的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜(4)组成；在近红外激光器照射下，该柔性可调光栅(2)的石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜能够发生伸缩变形改变栅格间距，能够通过控制近红外激光器的光照强度和照射时间改变光栅工作波长，实现实时全光型驱动调谐。
2.根据权利要求1所述的光驱动柔性可调光栅，其特征在于，近红外激光器通过照射石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜使所述柔性可调光栅(2)的栅格间距发生变化。
3.根据权利要求1所述的光驱动柔性可调光栅，其特征在于，石墨烯-聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为5～15μm；聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为5～15μm。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述的光驱动柔性可调光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据所需光栅的工作波长，制备一个具有固定栅格间距的光栅模板(1)；
2)将聚二甲基硅氧烷涂覆在光栅模板(1)上，再将石墨烯-聚二甲基硅氧烷涂覆在聚二甲基硅氧烷两侧，获得厚度一致的液态有机物；
3)对步骤2)得到的液态有机物进行真空干燥，直至其固化后，剥离形成与光栅模板(1)的栅格间距一致的柔性可调光栅(2)，该柔性可调光栅(2)中间为聚二甲基硅氧烷(3)，两端为石墨烯-聚二甲基硅氧烷(4)。
5.根据权利要求4所述的光驱动柔性可调光栅的制备方法，其特征在于，制得柔性可调光栅(2)后，还包括将柔性可调光栅(2)固定在夹具(7)上并预拉伸至所需长度的操作步骤。
6.根据权利要求5所述的光驱动柔性可调光栅的制备方法，其特征在于，所述夹具(7)采用聚乙烯制成，柔性可调光栅(2)的栅格结构与夹具(7)预拉伸方向呈正交角度。
7.根据权利要求5所述的光驱动柔性可调光栅的制备方法，其特征在于，柔性可调光栅(2)通过螺栓(8)固定在夹具(7)上。
8.根据权利要求4所述的光驱动柔性可调光栅的制备方法，其特征在于，所用聚二甲基硅氧烷，是将主剂与固化剂配合而成，主剂为聚酯预聚合物，固化剂为带乙烯基侧链的预聚物及带乙烯基侧链的交联剂。
9.根据权利要求4所述的光驱动柔性可调光栅的制备方法，其特征在于，光栅模板(1)由单晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝或碳化硅制成。
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