CN106896428B - 平面透镜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面透镜的制备方法，包括：采用高折射率的纳米流体材料溶液滴加到疏松多孔、折射率低、损伤阈值高的凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，利用纳米流体材料物理特性及凝胶块体材料孔洞结构，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变(从中间横向纵向扩散或从边缘层层扩散)来制备平面透镜的方法，该方法过程简单，通过纳米流体材料和凝胶块体材料的选择，可以较好地控制形成透镜的折射率，形成的透镜比基于玻璃材料的透镜透过率更高，由本发明的方法形成的连续渐变折射率透镜，可以免去传统玻璃基透镜繁琐的制备工序，无需研磨、抛光等过程，节约生产成本，是一种较为理想的连续渐变折射率透镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面透镜的制备方法，尤其是一种采用将高折射率纳米流体材料溶液滴加到凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，利用物理特性及孔洞结构，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率连续渐变来制备平面透镜的方法。
背景技术
梯度折射率透镜，是指材料内部折射率沿某一方向连续变化的光学透镜，梯度折射率分布类型有三种：径向梯度折射率、轴向梯度折射率、球面梯度折射率。径向梯度折射率透镜应用范围最广、最受关注，其中折射率沿径向连续减小，且光能够汇聚为一点的称为自聚焦透镜；折射率沿径向连续增大，对光起发散作用的称为自散焦透镜。梯度折射率透镜具有准直、聚焦、发散、耦合及成像等特性，并能有效减少单色像差，包括球差、像差、畸变、场曲和像散，加上它柱状小巧的外形特点，可以在多种不同的微型光学系统中更加方便的使用。梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件，并在集成光学领域如微型光学系统、准直器、激光器、光开关、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。
透镜按材质分类主要有玻璃和塑料两大类。塑料镜片易于成型、质量轻、成本低且使用广泛，但受到塑料材质先天致命缺点的影响，如热膨胀、易吸水、不耐有机溶剂、光学系数范围窄且易随温度变化等缺点，仍难以取代玻璃镜片在光学产品中的应用。光学玻璃由于其优异的透光性能和热膨胀、折射率方面的特性，在高层次的产品中仍然占据主导地位。随着精密光学系统的发展，梯度折射率玻璃应用也越来越广，光学系统对梯度折射率玻璃的折射率分布和玻璃质量都提出了更高的要求。常见的梯度折射率透镜常见的制备方法包括：离子交换法、溶胶凝胶法、体扩散法和化学气相沉积法等。
现有技术中提供一种离子交换法，该方法首先将一玻璃基材浸于第一种熔融态盐中，该熔融态盐包含可提高玻璃基材折射率的离子，该离子经扩散进入所述玻璃基材内。然后，将所述玻璃基材沉浸在第二种熔融态盐中，该熔融态盐包含折射率低于所述第一种熔融态盐中离子折射率的离子，从而使该玻璃基材获得一预定梯度折射率分布。所述离子交换法制备梯度折射率透镜相对简单且较为成熟。但是，该方法存在一些固有的缺陷，如果熔融态盐离子无法在玻璃体内迁移足够远并与对应离子相交换，此缺陷导致无法制造大体积或高折射率的折射率梯度分布组件。另外，该方法制造的产品质量不均匀，且不良率较高，从而增加生产成本。
现有技术中还提供一种溶胶凝胶法。该方法首先在酸性溶液中形成硅醇盐与乙醇的混合物以部分水解硅醇盐，将一折射率调整金属醇盐，如钛醇盐或锆醇盐，加入所述混合物内；随后加水将金属醇盐转变为适合凝胶的金属氧化物网状组织，使包含所述金属氧化物网状组织的混合物维持足够时间以形成凝胶；对凝胶进行酸溶过滤以移除一些调整折射率的金属氧化物，再使凝胶稳定，以防止调整折射率的金属氧化物自凝胶中进一步被移除，接着以溶剂漂洗凝胶以去除沉淀物；然后干燥并烧结成透明梯度折射率玻璃体。该方法通常使用凝胶，便于调整折射率的金属盐离子的迁移。但是，该方法制备的玻璃体较脆，且透明度较差。另外，其生产周期长，通常需7-10天。
现有技术中还提供一种体扩散法，通过堆叠多层具不同折射率和成份的玻璃板，从而获得不连续的梯度折射率分布，采用一精确控制的热处理以模糊堆叠层界面，从而使该不连续的梯度曲线变得连续。通过该方法可获得具可选择折射率梯度的大尺寸组件，且初始折射率分布易于控制，可采用多种光学玻璃及均匀光学聚合物材料制造梯度折射率透镜。但是，该方法仅可制造轴向梯度折射率透镜，无法制造较常用的径向梯度折射率透镜。
现有技术中的化学气相沉积法包括如下主要步骤：伴随化学反应，具渐变成份的化合物蒸气层沉积在管状或板状基底，基底经烧结以形成具预定折射率分布的透明玻璃棒。该方法可精确控制，但是，其操作困难，且生产周期长。
通过上述方法制备得到的为一种梯度折射率透镜，其折射率梯呈梯度变化，有鉴于此，本发明提供一种制备过程简单，精度高的折射率连续渐变的平面透镜及其制备方法实为必要。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种平面透镜的制备方法，其特征在于，包括以下过程：将纳米流体材料溶液滴加到凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
优选的是，当所述加入的纳米流体材料溶液的体积为1～100mL、质量浓度为0.1～5％时，所述凝胶块体材料的接收纳米流体材料的表面积为1～100cm2，所述凝胶块体材料的厚度为1～10mm。
优选的是，所述凝胶块体材料为多孔凝胶片；所述多孔凝胶片的孔径为1～1000nm。
优选的是，所述多孔凝胶片为多孔二氧化硅凝胶块、多孔二氧化钛凝胶块、多孔二氧化锆凝胶块中的任意一种。
优选的是，所述纳米流体材料溶液为晶态Si纳米粒子、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米硫化铅、纳米硫化锌、石墨烯溶液中的任意一种。
优选的是，所述纳米流体材料的制备方法为：将纳米粒子加入质量分数为8～15％的氨水溶液中，然后加入分散剂，以1000～3000r/min的速度搅拌10～30min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理120～240min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至15～25MPa，搅拌反应1～3小时，然后卸去二氧化碳压力，加入钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为40～60MPa，搅拌10～20小时，卸压，得到纳米流体材料。
优选的是，所述纳米粒子与钛酸酯偶联剂的质量比为1:10～15；所述纳米粒子与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:5～10；所述氨水溶液的用量为：每1g纳米粒子加入10～50mL氨水溶液；所述纳米粒子与分散剂的质量比为1:0.01～0.05；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为10～20KV，脉冲频率为800～1500Hz，脉冲宽度为8～15us；所述分散剂为1-乙基-3-甲基氯化咪唑、1-丁基-3-甲基氯化咪唑、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸中的一种。
优选的是，所述纳米粒子为晶态Si纳米粒子、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米硫化铅、纳米硫化锌、石墨烯中的任意一种。
优选的是，将纳米流体材料滴加到凝胶块体材料上的步骤替换为：将纳米流体材料加入乙醇中，配制成质量浓度为0.05～5％的纳米流体材料溶液，采用电喷方法将纳米流体材料溶液喷射到凝胶块体材料上；所述电喷方法为：将纳米流体材料溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向凝胶块体材料表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米流体材料溶液通过不锈钢喷头喷射在凝胶块体材料表面；通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
优选的是，所述凝胶块体材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述凝胶块体材料放置在移动平台上，在纳米流体材料溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于凝胶块体材料的中心位置，在纳米流体材料溶液开始喷射时，每喷射1min，凝胶块体材料通过移动平台移动0.5～1cm，使不锈钢喷头朝向凝胶块体材料不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为35～40℃、高压电源的输出电压为5～12kv、凝胶块体材料表面与不锈钢喷头之间距离为10～15cm、电喷速度为1～3mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1～2mm。
本发明中采用的凝胶块体材料为多孔二氧化钛凝胶块，其采用专利文献CN103086426A中的方法制备；当采用的凝胶块体材料为多孔二氧化硅凝胶块时，采用专利文献CN103738970A中的方法制备，或采用以下方法制备：将摩尔比为1：8～12：4～10的正硅酸乙酯、无水乙醇和水加入容器内，然边搅拌边加入盐酸溶液，调节pH值至3～5，在室温下搅拌反应1～3h，然后边搅拌边加入与正硅酸乙酯体积比为6～15:10的氨水醇溶液，调节pH值至8～9.5，然后将混合液置于带搅拌的密封容器中，向其中通入氮气使混合液中氮气饱和，然后将该密封容器置于2.5MeV、40mA的电子加速器中进行辐照搅拌处理，辐照剂量率为100～500kGy/h，辐照剂量为100～1000kGy，搅拌速度为50～150r/min；得到凝胶；将凝胶浸泡在盛有体积比为1:0～15的三甲基氯硅烷和无水乙醇混合溶液的容器中，在15～35℃下，密封浸泡1～2天，然后用乙醇浸洗去除残留在凝胶表面的溶液；将处理后的凝胶置入无水乙醇中，然后采用快速高温梯度超临界干燥工艺进行干燥，制备多孔二氧化硅凝胶块；所述氨水醇溶液中氨水与无水乙醇的体积比为1:8～16，所述氨水的浓度为0.2～2mol/L；所述盐酸溶液的浓度为0.1～0.5mol/L；所述快速高温梯度超临界干燥工艺过程的升温速度为1～10℃/min，升温至200～300℃。
本发明至少包括以下有益效果：采用高折射率的纳米流体材料溶液滴加到疏松多孔、折射率低、损伤阈值高的凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，利用纳米流体材料物理特性及凝胶块体材料孔洞结构，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变(从中间横向纵向扩散或从边缘层层扩散)来制备平面透镜的方法，该方法过程简单，通过纳米流体材料和凝胶块体材料的选择，可以较好地控制形成透镜的折射率，纳米颗粒在多孔凝胶块体材料中自然渗透扩散，在渗透区域内形成在径向和纵向上折射率连续渐变的分布特点，形成的透镜比基于玻璃材料的透镜透过率更高，由此可以形成一种较为理想的以高透射光有效会聚为目的的连续渐变折射率透镜；由本发明的方法形成的连续渐变折射率透镜，可以免去传统玻璃基透镜繁琐的制备工序，无需研磨、抛光等过程，节约生产成本，是一种较为理想的连续渐变折射率透镜。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明所述的纳米流体在凝胶块体材料中的扩散示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将1mL、质量浓度为0.1％的纳米流体材料溶液滴加到厚度为1mm、接收纳米流体材料的表面积为1cm2的凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
实施例2：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将10mL、质量浓度为1％的纳米流体材料溶液滴加到厚度为5mm、接收纳米流体材料的表面积为10cm2的凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
实施例3：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将100mL、质量浓度为5％的晶态Si纳米粒子溶液滴加到厚度为10mm、接收纳米流体材料的表面积为100cm2的多孔二氧化硅凝胶块上，通过晶态Si纳米粒子在多孔二氧化硅凝胶块中的扩散，使晶态Si纳米粒子渗透后的多孔二氧化硅凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化硅凝胶块的孔径为20nm。
实施例4：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将20mL、质量浓度为2％的纳米二氧化钛溶液滴加到厚度为5mm、接收纳米流体材料的表面积为5cm2的多孔二氧化硅凝胶块上，通过纳米二氧化钛在多孔二氧化硅凝胶块中的扩散，使纳米二氧化钛渗透后的多孔二氧化硅凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化硅凝胶块的孔径为15nm。
实施例5：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将10mL、质量浓度为1％的纳米二氧化锆醇溶液滴加到厚度为3mm、接收纳米流体材料的表面积为3cm2的多孔二氧化钛凝胶块上，通过纳米二氧化锆在多孔二氧化钛凝胶块中的扩散，使纳米二氧化锆渗透后的多孔二氧化钛凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化钛凝胶块的孔径为25nm。
实施例6：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将2mL、质量浓度为2％的纳米硫化铅溶液滴加到厚度为5mm、接收纳米流体材料的表面积为2cm2的多孔二氧化钛凝胶块上，通过纳米硫化铅在多孔二氧化钛凝胶块中的扩散，使纳米硫化铅渗透后的多孔二氧化钛凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化钛凝胶块的孔径为30nm。
实施例7：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将1mL、质量浓度为5％的纳米硫化锌溶液滴加到厚度为5mm、接收纳米流体材料的表面积为2cm2的多孔二氧化硅凝胶块上，通过纳米硫化锌在多孔二氧化硅凝胶块中的扩散，使纳米硫化锌渗透后的多孔二氧化硅凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化硅凝胶块的孔径为15nm。
实施例8：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将2mL、质量浓度为2％的氧化石墨烯溶液滴加到厚度为2mm、接收纳米流体材料的表面积为3cm2的多孔二氧化硅凝胶块上，通过氧化石墨烯在多孔二氧化硅凝胶块中的扩散，使氧化石墨烯渗透后的多孔二氧化硅凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化硅凝胶块的孔径为10nm。
实施例9：
一种平面透镜的制备方法，包括以下过程：将20mL、质量浓度为2％的纳米二氧化钛溶液滴加到厚度为5mm、接收纳米流体材料的表面积为5cm2的多孔二氧化硅凝胶块上，通过纳米二氧化钛在多孔二氧化硅凝胶块中的扩散，使纳米二氧化钛渗透后的多孔二氧化硅凝胶块材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；所述多孔二氧化硅凝胶块的孔径为15nm；
所述质量浓度为2％的纳米二氧化钛溶液以乙醇为溶剂，纳米二氧化钛流体材料为溶质配制；所述纳米二氧化钛流体材料的制备方法为：将1g纳米二氧化钛加入10mL质量分数为8％的氨水溶液中，然后加入0.01g分散剂1-乙基-3-甲基氯化咪唑，以1000r/min的速度搅拌10min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理120min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入5g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至15MPa，搅拌反应1小时，然后卸去二氧化碳压力，加入10g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为40MPa，搅拌10小时，卸压，得到纳米二氧化钛流体材料；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为10KV，脉冲频率为800Hz，脉冲宽度为8us，采用高压脉冲电场，使纳米二氧化钛均匀分散在溶液中，且可以更加稳定的存在，采用钛酸酯偶联剂和聚乙烯吡咯烷酮对纳米粒子进行表面改性，改性后的纳米粒子不会团聚，纳米粒子内核的物化特性仍然保留。
实施例10：
所述质量浓度为2％的纳米二氧化钛溶液以乙醇为溶剂，纳米二氧化钛流体材料为溶质配制；所述纳米二氧化钛流体材料的制备方法为：将2g纳米二氧化钛加入30mL质量分数为10％的氨水溶液中，然后加入0.04g分散剂1-乙基-3-甲基咪唑乳酸，以2000r/min的速度搅拌20min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理150min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入12g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至20MPa，搅拌反应2小时，然后卸去二氧化碳压力，加入22g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为50MPa，搅拌12小时，卸压，得到纳米二氧化钛流体材料；其余参数和工艺过程与实施例4中的完全一致；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为20KV，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为15us。
实施例11：
所述质量浓度为1％的纳米二氧化锆溶液以乙醇为溶剂，纳米二氧化锆流体材料为溶质配制；所述纳米二氧化锆流体材料的制备方法为：将2g纳米二氧化锆加入40mL质量分数为15％的氨水溶液中，然后加入0.04g分散剂1-乙基-3-甲基咪唑乳酸，以2000r/min的速度搅拌20min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理150min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入12g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至20MPa，搅拌反应2小时，然后卸去二氧化碳压力，加入22g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为45MPa，搅拌12小时，卸压，得到纳米二氧化锆流体材料；其余参数和工艺过程与实施例5中的完全一致；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为15KV，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为12us。
实施例12：
所述质量浓度为2％的纳米硫化铅溶液以乙醇为溶剂，纳米硫化铅流体材料为溶质配制；所述纳米硫化铅流体材料的制备方法为：将1g纳米硫化铅加入30mL质量分数为12％的氨水溶液中，然后加入0.04g分散剂1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐，以2000r/min的速度搅拌20min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理150min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入8g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至20MPa，搅拌反应2小时，然后卸去二氧化碳压力，加入12g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为40MPa，搅拌12小时，卸压，得到纳米硫化铅流体材料；其余参数和工艺过程与实施例6中的完全一致；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为16KV，脉冲频率为1200Hz，脉冲宽度为12us。
实施例13：
所述质量浓度为5％的晶态Si纳米粒子溶液以乙醇为溶剂，晶态Si纳米粒子流体为溶质配制；所述晶态Si纳米粒子流体材料的制备方法为：将1g晶态Si纳米粒子加入25mL质量分数为10％的氨水溶液中，然后加入0.04g分散剂1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐，以3000r/min的速度搅拌20min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理150min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入8g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至20MPa，搅拌反应2小时，然后卸去二氧化碳压力，加入12g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为40MPa，搅拌12小时，卸压，得到晶态Si纳米粒子流体材料；其余参数和工艺过程与实施例3中的完全一致；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为18KV，脉冲频率为1200Hz，脉冲宽度为14us。
实施例14：
所述质量浓度为5％的纳米硫化锌溶液以乙醇为溶剂，纳米硫化锌流体材料为溶质配制；所述纳米硫化锌流体材料的制备方法为：将2g纳米硫化锌加入30mL质量分数为12％的氨水溶液中，然后加入0.04g分散剂1-乙基-3-甲基咪唑乳酸，以2500r/min的速度搅拌30min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理150min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入16g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至20MPa，搅拌反应2小时，然后卸去二氧化碳压力，加入24g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为50MPa，搅拌12小时，卸压，得到纳米硫化锌流体材料；其余参数和工艺过程与实施例7中的完全一致；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为10KV，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度为15us。
实施例15：
所述质量浓度为2％的氧化石墨烯溶液以乙醇为溶剂，氧化石墨烯流体材料为溶质配制；所述氧化石墨烯流体材料的制备方法为：将2g氧化石墨烯加入30mL质量分数为15％的氨水溶液中，然后加入0.04g分散剂1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，以2500r/min的速度搅拌30min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理150min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入12g聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至20MPa，搅拌反应2小时，然后卸去二氧化碳压力，加入16g钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为60MPa，搅拌12小时，卸压，得到氧化石墨烯流体材料；其余参数和工艺过程与实施例8中的完全一致；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为20KV，脉冲频率为1500Hz，脉冲宽度15us。
实施例16：
将纳米流体材料滴加到凝胶块体材料上的步骤替换为：将纳米流体材料加入乙醇中，配制成质量浓度为3％的纳米流体材料溶液，采用电喷方法将纳米流体材料溶液喷射到凝胶块体材料上；所述电喷方法为：将纳米流体材料溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向凝胶块体材料表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米流体材料溶液通过不锈钢喷头喷射在凝胶块体材料表面；通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜，采用电喷方法，使纳米流体材料溶液带电喷射至凝胶块体材料上，带电的纳米流体材料在电场的作用和自身重力的作用下渗透至凝胶块体材料内，在凝胶块体材料的孔洞中进行吸附、渗透、扩散，形成透镜。
实施例17：
将纳米流体材料滴加到凝胶块体材料上的步骤替换为：将纳米流体材料加入乙醇中，配制成质量浓度为2％的纳米流体材料溶液，采用电喷方法将纳米流体材料溶液喷射到凝胶块体材料上；所述电喷方法为：将纳米流体材料溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向凝胶块体材料表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米流体材料溶液通过不锈钢喷头喷射在凝胶块体材料表面；通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述凝胶块体材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述凝胶块体材料放置在移动平台上，在纳米流体材料溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于凝胶块体材料的中心位置，在纳米流体材料溶液开始喷射时，每喷射1min，凝胶块体材料通过移动平台移动0.5cm，(可以采用电动控制移动平台在进行移动，也可以采用手动控制移动平台移动，其目的是为了使纳米流体材料溶液喷射到凝胶块体材料的不同位置)使不锈钢喷头朝向凝胶块体材料不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为10kv、凝胶块体材料表面与不锈钢喷头之间距离为12cm、电喷速度为2mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1.2mm。
实施例18：
将实施例3的制备过程替换为：采用电喷方法将晶态Si纳米粒子溶液喷射到多孔二氧化硅凝胶块上，其与参数和工艺过程与实施例3中的完全相同；所述电喷方法为：将晶态Si纳米粒子溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的晶态Si纳米粒子溶液通过不锈钢喷头喷射在多孔二氧化硅凝胶块表面；通过晶态Si纳米粒子在多孔二氧化硅凝胶块的扩散，使晶态Si纳米粒子渗透后的多孔二氧化硅凝胶块折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述多孔二氧化硅凝胶块材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述多孔二氧化硅凝胶块材料放置在移动平台上，在晶态Si纳米粒子溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于多孔二氧化硅凝胶块材料的中心位置，在晶态Si纳米粒子溶液开始喷射时，每喷射1min，多孔二氧化硅凝胶块通过移动平台移动0.5cm，使不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为12kv、多孔二氧化硅凝胶块表面与不锈钢喷头之间距离为15cm、电喷速度为1.5mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1.5mm。
实施例19：
将实施例4的制备过程替换为：采用电喷方法将纳米二氧化钛溶液喷射到多孔二氧化硅凝胶块上，其与参数和工艺过程与实施例4中的完全相同；所述电喷方法为：将纳米二氧化钛溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米二氧化钛溶液通过不锈钢喷头喷射在多孔二氧化硅凝胶块表面；通过纳米二氧化钛在多孔二氧化硅凝胶块的扩散，使纳米二氧化钛渗透后的多孔二氧化硅凝胶块折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述多孔二氧化硅凝胶块材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述多孔二氧化硅凝胶块材料放置在移动平台上，在纳米二氧化钛溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于多孔二氧化硅凝胶块材料的中心位置，在纳米二氧化钛溶液开始喷射时，每喷射1min，多孔二氧化硅凝胶块通过移动平台移动1cm，使不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为35℃、高压电源的输出电压为8kv、多孔二氧化硅凝胶块表面与不锈钢喷头之间距离为10cm、电喷速度为3mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1mm。
实施例20：
将实施例5的制备过程替换为：采用电喷方法将纳米二氧化锆醇溶液喷射到多孔二氧化钛凝胶块上，其与参数和工艺过程与实施例5中的完全相同；所述电喷方法为：将纳米二氧化锆溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向多孔二氧化钛凝胶块表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米二氧化锆溶液通过不锈钢喷头喷射在多孔二氧化钛凝胶块表面；通过纳米二氧化锆在多孔二氧化钛凝胶块的扩散，使纳米二氧化锆渗透后的多孔二氧化钛凝胶块折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述多孔二氧化钛凝胶块材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述多孔二氧化钛凝胶块材料放置在移动平台上，在纳米二氧化锆溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于多孔二氧化硅凝胶块材料的中心位置，在纳米二氧化锆溶液开始喷射时，每喷射1min，多孔二氧化钛凝胶块通过移动平台移动0.5cm，使不锈钢喷头朝向多孔二氧化钛凝胶块不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为38℃、高压电源的输出电压为10kv、多孔二氧化钛凝胶块表面与不锈钢喷头之间距离为15cm、电喷速度为3mL/h；所述不锈钢喷头的内径为2mm。
实施例21：
将实施例6的制备过程替换为：采用电喷方法将纳米硫化铅溶液喷射到多孔二氧化钛凝胶块上，其与参数和工艺过程与实施例6中的完全相同；所述电喷方法为：将纳米硫化铅溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向多孔二氧化钛凝胶块表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米硫化铅溶液通过不锈钢喷头喷射在多孔二氧化钛凝胶块表面；通过纳米硫化铅在多孔二氧化钛凝胶块的扩散，使纳米硫化铅渗透后的多孔二氧化钛凝胶块折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述多孔二氧化钛凝胶块材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述多孔二氧化钛凝胶块材料放置在移动平台上，在纳米硫化铅溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于多孔二氧化硅凝胶块材料的中心位置，在纳米硫化铅溶液开始喷射时，每喷射1min，多孔二氧化钛凝胶块通过移动平台移动0.5cm，使不锈钢喷头朝向多孔二氧化钛凝胶块不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为6kv、多孔二氧化钛凝胶块表面与不锈钢喷头之间距离为10cm、电喷速度为1mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1mm。
实施例22：
将实施例7的制备过程替换为：采用电喷方法将纳米硫化锌溶液喷射到多孔二氧化硅凝胶块上，其与参数和工艺过程与实施例7中的完全相同；所述电喷方法为：将纳米硫化锌溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米硫化锌溶液通过不锈钢喷头喷射在多孔二氧化硅凝胶块表面；通过纳米硫化锌在多孔二氧化硅凝胶块的扩散，使纳米硫化锌渗透后的多孔二氧化硅凝胶块折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述多孔二氧化硅凝胶块材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述多孔二氧化硅凝胶块材料放置在移动平台上，在纳米硫化锌溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于多孔二氧化硅凝胶块材料的中心位置，在纳米硫化锌溶液开始喷射时，每喷射1min，多孔二氧化硅凝胶块通过移动平台移动1cm，使不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为35℃、高压电源的输出电压为10kv、多孔二氧化硅凝胶块表面与不锈钢喷头之间距离为10cm、电喷速度为2mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1.5mm。
实施例23：
将实施例8的制备过程替换为：采用电喷方法将氧化石墨烯溶液喷射到多孔二氧化硅凝胶块上，其与参数和工艺过程与实施例8中的完全相同；所述电喷方法为：将氧化石墨烯溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的氧化石墨烯溶液通过不锈钢喷头喷射在多孔二氧化硅凝胶块表面；通过氧化石墨烯在多孔二氧化硅凝胶块的扩散，使氧化石墨烯渗透后的多孔二氧化硅凝胶块折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
所述多孔二氧化硅凝胶块材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述多孔二氧化硅凝胶块材料放置在移动平台上，在氧化石墨烯溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于多孔二氧化硅凝胶块材料的中心位置，在氧化石墨烯溶液开始喷射时，每喷射1min，多孔二氧化硅凝胶块通过移动平台移动1cm，使不锈钢喷头朝向多孔二氧化硅凝胶块不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为40℃、高压电源的输出电压为12kv、多孔二氧化硅凝胶块表面与不锈钢喷头之间距离为10cm、电喷速度为3mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1.5mm。
实施例24：
采用实施例10和实施例19的组合方案进行透镜的制备。
实施例25：
采用实施例11和实施例20的组合方案进行透镜的制备。
实施例26：
采用实施例12和实施例21的组合方案进行透镜的制备。
实施例27：
采用实施例13和实施例18的组合方案进行透镜的制备。
实施例28：
采用实施例14和实施例22的组合方案进行透镜的制备。
实施例29：
采用实施例15和实施例23组合方案进行透镜的制备。
实施例30：
将多孔二氧化硅凝胶块替换为多孔二氧化锆凝胶块，其他工艺和参数与实施例3，4，7，8，9，10，13，14，15，18，19，22，23，24，27，28，29中的完全一致。
上述实施例中涉及到的多孔二氧化硅凝胶块采用以下方法制备：
将80mL正硅酸甲酯，200mL乙醇、12mL水加入反应容器，然后边搅拌边加入0.3mol/L的盐酸溶液1.8mL，溶液pH值为4，在室温下搅拌反应2h；然后边搅拌边加入1.5mol/L的氨水18mL和无水乙醇120mL，溶液pH值为9，然后将混合液置于带搅拌的密封容器中，向其中通入氮气使混合液中氮气饱和，然后将该密封容器置于2.5MeV、40mA的电子加速器中进行辐照搅拌处理，辐照剂量率为100kGy/h，辐照剂量为1000kGy，搅拌速度为50r/min；得到凝胶；将凝胶浸泡在盛有体积比为1:5的三甲基氯硅烷和无水乙醇混合溶液的容器中，在35℃下，密封浸泡2天，然后用乙醇浸洗去除残留在凝胶表面的溶液；将处理后的凝胶置入无水乙醇中，然后采用快速高温梯度超临界干燥工艺进行干燥，制备多孔二氧化硅凝胶块；所述快速高温梯度超临界干燥工艺过程的升温速度为1℃/min，升温至200℃。
本发明采用高折射率的纳米流体材料溶液滴加到疏松多孔、折射率低、损伤阈值高的凝胶块体材料上，通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，利用纳米流体材料物理特性及凝胶块体材料孔洞结构，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变(从中间横向纵向扩散或从边缘层层扩散)来制备平面透镜的方法。通过对本发明制备的平面透镜进行常规光学性能测试，得到的折射率、焦距、焦斑、抗激光损伤阈值等均优于现有技术中得到的梯度折射率透镜。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种平面透镜的制备方法，其特征在于，包括以下过程：将纳米流体材料溶液滴加到凝胶块体材料上，通过纳米流体材料溶液中的纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜；
其中，所述凝胶块体材料为多孔二氧化硅凝胶块、多孔二氧化钛凝胶块、多孔二氧化锆凝胶块中的任意一种；所述凝胶块体材料的孔径为1～1000nm；
所述纳米流体材料溶液为晶态Si纳米粒子溶液、纳米二氧化钛溶液、纳米二氧化锆溶液、纳米硫化铅溶液、纳米硫化锌溶液、石墨烯溶液中的任意一种。
2.如权利要求1所述的平面透镜的制备方法，其特征在于，当加入的纳米流体材料溶液的体积为1～100mL、质量浓度为0.1～5％时，所述凝胶块体材料的接收纳米流体材料的表面积为1～100cm2，所述凝胶块体材料的厚度为1～10mm。
3.如权利要求1所述的平面透镜的制备方法，其特征在于，所述纳米流体材料溶液中的纳米流体材料的制备方法为：将纳米粒子加入质量分数为8～15％的氨水溶液中，然后加入分散剂，以1000～3000r/min的速度搅拌10～30min，将搅拌后的料液放入高压脉冲处理室中利用高压脉冲电场预处理120～240min；然后将料液加入超临界反应装置中，并加入聚乙烯吡咯烷酮，在体系密封后通入二氧化碳至15～25MPa，搅拌反应1～3小时，然后卸去二氧化碳压力，加入钛酸酯偶联剂，再次注入二氧化碳至压力为40～60MPa，搅拌10～20小时，卸压，得到纳米流体材料。
4.如权利要求3所述的平面透镜的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子与钛酸酯偶联剂的质量比为1:10～15；所述纳米粒子与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:5～10；所述氨水溶液的用量为：每1g纳米粒子加入10～50mL氨水溶液；所述纳米粒子与分散剂的质量比为1:0.01～0.05；所述高压脉冲电场预处理的参数为：脉冲幅度为10～20KV，脉冲频率为800～1500Hz，脉冲宽度为8～15us；所述分散剂为1-乙基-3-甲基氯化咪唑、1-丁基-3-甲基氯化咪唑、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸中的一种。
5.如权利要求3所述的平面透镜的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子为晶态Si纳米粒子、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米硫化铅、纳米硫化锌、石墨烯中的任意一种。
6.如权利要求1所述的平面透镜的制备方法，其特征在于，将纳米流体材料溶液滴加到凝胶块体材料上的步骤替换为：将纳米流体材料加入乙醇中，配制成质量浓度为0.05～5％的纳米流体材料溶液，采用电喷方法将纳米流体材料溶液喷射到凝胶块体材料上；所述电喷方法为：将纳米流体材料溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，且将不锈钢喷头朝向凝胶块体材料表面，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的纳米流体材料溶液通过不锈钢喷头喷射在凝胶块体材料表面；通过纳米流体材料在凝胶块体材料中的扩散，使纳米流体材料渗透后的凝胶块体材料折射率渐变，干燥后形成平面透镜。
7.如权利要求6所述的平面透镜的制备方法，其特征在于，所述凝胶块体材料为10cm×10cm的正方形凝胶片，其厚度为5mm；所述凝胶块体材料放置在移动平台上，在纳米流体材料溶液未开始喷射时，所述不锈钢喷头位于凝胶块体材料的中心位置，在纳米流体材料溶液开始喷射时，每喷射1min，凝胶块体材料通过移动平台移动0.5～1cm，使不锈钢喷头朝向凝胶块体材料不同的位置进行喷射；所述电喷方法采用的喷射条件为：环境温度为35～40℃、高压电源的输出电压为5～12kv、凝胶块体材料表面与不锈钢喷头之间距离为10～15cm、电喷速度为1～3mL/h；所述不锈钢喷头的内径为1～2mm。
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