CN107153229A - 电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，包括以下步骤：诱导模板和基材的制备：在基底上形成带有周期性栅状凸起结构的诱导模板与带有周期性栅状凸起结构的基材；基材的处理：首先处理基材表面，然后制得一层聚合物薄膜层，接着制成过渡材料层，最后加热基材，最后制得液态金属层；诱导模板和基材相对位置的调整；电场诱导可调制液态光栅的成型：加热基材，外加直流电源，在经过一系列的调制过程后，降温，液态光栅结构得以定型，最后移除诱导模板。本发明所制造的液态光栅：能够根据需要实时调控光栅的参数，且调制范围大；液态光栅因流动成形的完美超光滑表面避免了由于表面粗糙度造成的色散误差，能够有效提高光栅的衍射效率。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造技术领域，特别是涉及一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法。
背景技术
光栅即衍射光栅，是利用衍射原理使光发生色散的光学元件，作为光学系统的核心部件被广泛应用于光谱仪器、精密计量、光通信、显示技术、激光调谐技术等领域传统的衍射光栅是通过机械刻划、全息光刻、干法刻蚀等微制造工艺，在金属、金属介质膜及石英等硬质衬底材料上制作，一旦完成制造，由于材料的限制，其线纹结构参数无法随工程应用的实际需要而改变，实现光栅的物理特性修正，极大的限制了光栅的应用。
因此，线纹结构能够按使用需求进行控制的可调制光栅的研制，一直是学界与产业界的追求目标，对于提高光栅的光学性能品质、扩展光栅应用具有显著的科学意义和实用价值。
新加坡南洋理工大学的A. Q. Liu 利用微流控技术将两种不混溶的不同折射率液体，形成周期性的液体分布，实现了用于光通讯的可调制长周期光栅(Long-periodgrating-LPG)，尽管栅距较大(几百微米量级)，也开拓了将液态材料应用于可调制光栅的新思路。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，包括以下步骤：
（1）诱导模板和基材的制备：在基底上形成带有第一周期性栅状凸起结构的诱导模板与带有第二周期性栅状凸起结构的基材；
（2）基材的处理：首先用低温等离子体技术处理基材表面，使其有利于粘结和涂覆，然后在基底上涂布一层热塑性聚合物薄膜，形成聚合物薄膜层，接着将具有高延展性的一层石墨烯转移到聚合物薄膜层上，形成过渡材料层，最后加热基材，在石墨烯过渡材料层上涂布一层液态金属，形成液态金属层，热塑性聚合物的玻璃态温度高于液态金属的熔点；
（3）诱导模板和基材相对位置的调整：外加位置调整装置，使诱导模板和基材保持相对平行并有一定间隙，根据光栅栅齿的形貌要求调整诱导模板和基材的相对位置；
（4）电场诱导可调制液态光栅的成型：加热基材，使热塑性聚合物处于液态，外加直流电源，在经过调制过程后，降温至热塑性聚合物玻璃态温度以下，保持在液态金属的熔点以上，液态光栅结构得以定型，最后移除诱导模板。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的基底为低热膨胀硬质材料基底或零膨胀硬质材料基底；采用光刻或纳米压印的方法形成带有第一周期性栅状凸起结构的诱导模板与带有第二周期性栅状凸起结构的基材。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的第一周期性栅状凸起结构与第二周期性栅状凸起结构相同，凸起结构都具有导电性，且凸起结构分别与选址开关相连，第一周期性栅状凸起结构与第二周期性栅状凸起结构中的凸起结构厚度均为190-210nm。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中采用加热后压印的方法在基底上涂布一层热塑性聚合物薄膜，形成聚合物薄膜层。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中用逆辊压印或平板转印技术将具有高延展性的一层石墨烯转移到聚合物薄膜层上，形成过渡材料层，最后加热基材，利用旋转涂胶工艺在石墨烯过渡材料层上涂布一层液态金属，形成液态金属层。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中的石墨烯过渡材料层的厚度为30-50nm，聚合物薄膜层的厚度为1-500μm。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中的液态金属为镓系金属或锡铟合金，液态金属的熔点低于50℃，液态金属层的厚度为30-200nm。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中加热基材时的温度在液态金属熔点以上，在热塑性聚合物玻璃态温度之下。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（4）中所进行的调制过程为：首先将电源负极通过选址开关与基材上的第二周期性栅状凸起结构相连，将电源正极通过选址开关与诱导模板上的第一周期性栅状凸起结构相连，然后根据光栅的栅距要求，通过调制选址开关来控制第一周期性栅状凸起结构与第二周期性栅状凸起结构是否带电，接着保持稳定的电压，直到光栅结构成型。
本发明的有益效果是：本发明所制造的液态光栅具有以下明显优势：(a)能够根据需要实时调控光栅的参数，且调制范围大；(b)液面处渐变分布的折射率有效减小了光的散射影响；(c)与传统固态光栅表面粗糙度相比，液态光栅因流动成形的完美超光滑表面避免了由于表面粗糙度造成的色散误差，能够有效提高光栅的衍射效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1至图4分别是本发明电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法的步骤一至步骤四示意图；
图中：1、诱导模板，2、基材，3、第一周期性栅状凸起结构，4、第二周期性栅状凸起结构，5、选址开关，6、PMMA聚合物薄膜层，7、过渡材料层，8、液态金属层，9、位置调整装置。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，实施例中选址开关5是商品化的板卡式多路可控继电器阵列，而实际中可以利用集成电路相关工艺自行设计制造。
实施例1
一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，包括如下步骤：
（1）诱导模板和基材的制备：
如图1，选用零膨胀的殷钢作为诱导模板1和基材2的材料，在诱导模板1和基材2的表面溅射一层厚度为200nm的铬层，用纳米压印和反应离子刻蚀的方法在诱导模板1与基材2上形成具有相同形貌的第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4，第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4的宽度均为10μm，厚度均为200nm，第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4通过焊接工艺，经接插件、排线与选址开关5相连，选址开关5是板卡式的多路可控继电器阵列，可通过Labview软件编程控制；
（2）基材的处理：
如图2，首先用低温等离子体技术处理基材2表面，使其有利于粘结和涂覆，然后用加热后平板压印的方法涂布一层PMMA聚合物薄膜层6，PMMA聚合物薄膜层6的厚度100μm，接着用逆辊压印技术将具有高延展性的一层石墨烯转移到PMMA聚合物薄膜层6上，形成过渡材料层7，厚度30nm，最后加热基材，PMMA聚合物的玻璃态温度高于液态金属的熔点，加热温度在液态金属熔点以上，在PMMA聚合物玻璃态温度之下，利用旋转涂胶工艺在石墨烯过渡材料层上涂布一层锡铟合金液态金属，形成液态金属层8，厚度30nm；
（3）诱导模板和基材相对位置的调整：
如图3，外加位置调整装置9，使诱导模板1和基材2保持相对平行并有2.0mm的间隙，根据光栅栅齿的形貌要求调整诱导模板和基材的相对位置；
（4）电场诱导可调制液态光栅的成型：
如图4，加热基材2，使PMMA聚合物处于液态，外加直流电源，电压范围为1-300V，将电源负极通过选址开关5与基材2上的第二周期性栅状凸起结构4相连，将电源正极通过选址开关5与诱导模板1上的第一周期性栅状凸起结构3相连，然后根据光栅的占空比和周期要求，通过调制选址开关5的开闭使第一周期性栅状凸起结构3为每隔一个带电，通过调制选址开关5的开闭使第二周期性栅状凸起结构4为每隔一个带电，接着保持稳定的电压5-60分钟，直到光栅结构成型，降温至PMMA玻璃态温度以下，在锡铟合金的熔点以上，液态光栅结构得以定型，最后移除诱导模板。
实施例2
一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，包括如下步骤：
（1）诱导模板和基材的制备：
如图1，选用零膨胀的殷钢作为诱导模板1和基材2的材料，在诱导模板1和基材2的表面溅射一层厚度为190nm的铬层，用纳米压印和反应离子刻蚀的方法在诱导模板1与基材2上形成相同具有相同形貌的第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4，第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4的宽度均为10μm，厚度均为190nm，第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4通过焊接工艺，经接插件、排线与选址开关5相连，选址开关5是板卡式的多路可控继电器阵列，可通过Labview软件编程控制；
（2）基材的处理：
如图2，首先用低温等离子体技术处理基材2表面，使其有利于粘结和涂覆，然后用加热后平板压印的方法涂布一层PMMA聚合物薄膜层6，PMMA聚合物薄膜层6的厚度300μm，接着用平板转印技术将具有高延展性的一层石墨烯转移到PMMA聚合物薄膜层6上，形成过渡材料层7，厚度40nm，最后加热基材，PMMA聚合物的玻璃态温度高于液态金属的熔点，加热温度在液态金属熔点以上，在PMMA聚合物玻璃态温度之下，利用旋转涂胶工艺在石墨烯过渡材料层上涂布一层锡铟合金液态金属，形成液态金属层8，厚度120nm；
（3）诱导模板和基材相对位置的调整：
如图3，外加位置调整装置9，使诱导模板1和基材2保持相对平行并有1.5mm的间隙，根据光栅栅齿的形貌要求调整诱导模板和基材的相对位置；
（4）电场诱导可调制液态光栅的成型：
如图4，加热基材2，使PMMA聚合物处于液态，外加直流电源，电压范围为1-300V，将电源负极通过选址开关5与基材2上的第二周期性栅状凸起结构4相连，将电源正极通过选址开关5与诱导模板1上的第一周期性栅状凸起结构3相连，然后根据光栅的占空比和周期要求，通过调制选址开关5的开闭使第一周期性栅状凸起结构3为每隔一个带电，通过调制选址开关5的开闭使第二周期性栅状凸起结构4为每隔一个带电，接着保持稳定的电压5-60分钟，直到光栅结构成型，降温至PMMA玻璃态温度以下，在锡铟合金的熔点以上，液态光栅结构得以定型，最后移除诱导模板。
实施例3
一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，包括如下步骤：
（1）诱导模板和基材的制备：
如图1，选用零膨胀的殷钢作为诱导模板1和基材2的材料，在诱导模板1和基材2的表面溅射一层厚度为210nm的铬层，用纳米压印和反应离子刻蚀的方法在诱导模板1与基材2上形成相同具有相同形貌的第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4，第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4的宽度均为10μm，厚度均为210nm，第一周期性栅状凸起结构3和第二周期性栅状凸起结构4通过焊接工艺，经接插件、排线与选址开关5相连，选址开关5是板卡式的多路可控继电器阵列，可通过Labview软件编程控制；
（2）基材的处理：
如图2，首先用低温等离子体技术处理基材2表面，使其有利于粘结和涂覆，然后用加热后平板压印的方法涂布一层PMMA聚合物薄膜层6，PMMA聚合物薄膜层6的厚度500μm，接着用逆辊压印技术将具有高延展性的一层石墨烯转移到PMMA聚合物薄膜层6上，形成过渡材料层7，厚度50nm，最后加热基材，PMMA聚合物的玻璃态温度高于液态金属的熔点，加热温度在液态金属熔点以上，在PMMA聚合物玻璃态温度之下，利用旋转涂胶工艺在石墨烯过渡材料层上涂布一层锡铟合金液态金属，形成液态金属层8，厚度200nm；
（3）诱导模板和基材相对位置的调整：
如图3，外加位置调整装置9，使诱导模板1和基材2保持相对平行并有2.5mm的间隙，根据光栅栅齿的形貌要求调整诱导模板和基材的相对位置；
（4）电场诱导可调制液态光栅的成型：
如图4，加热基材2，使PMMA聚合物处于液态，外加直流电源，电压范围为1-300V，将电源负极通过选址开关5与基材2上的第二周期性栅状凸起结构4相连，将电源正极通过选址开关5与诱导模板1上的第一周期性栅状凸起结构3相连，然后根据光栅的占空比和周期要求，通过调制选址开关5的开闭使第一周期性栅状凸起结构3为每隔一个带电，通过调制选址开关5的开闭使第二周期性栅状凸起结构4为每隔一个带电，接着保持稳定的电压5-60分钟，直到光栅结构成型，降温至PMMA玻璃态温度以下，在锡铟合金的熔点以上，液态光栅结构得以定型，最后移除诱导模板。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）诱导模板和基材的制备：在基底上形成带有第一周期性栅状凸起结构的诱导模板与带有第二周期性栅状凸起结构的基材；
（2）基材的处理：首先用低温等离子体技术处理基材表面，使其有利于粘结和涂覆，然后在基底上涂布一层热塑性聚合物薄膜，形成聚合物薄膜层，接着将具有高延展性的一层石墨烯转移到聚合物薄膜层上，形成过渡材料层，最后加热基材，在石墨烯过渡材料层上涂布一层液态金属，形成液态金属层，热塑性聚合物的玻璃态温度高于液态金属的熔点；
（3）诱导模板和基材相对位置的调整：外加位置调整装置，使诱导模板和基材保持相对平行并有一定间隙，根据光栅栅齿的形貌要求调整诱导模板和基材的相对位置；
（4）电场诱导可调制液态光栅的成型：加热基材，使热塑性聚合物处于液态，外加直流电源，在经过调制过程后，降温至热塑性聚合物玻璃态温度以下，保持在液态金属的熔点以上，液态光栅结构得以定型，最后移除诱导模板。
2.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（1）中的基底为低热膨胀硬质材料基底或零膨胀硬质材料基底；采用光刻或纳米压印的方法形成带有第一周期性栅状凸起结构的诱导模板与带有第二周期性栅状凸起结构的基材。
3.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（1）中的第一周期性栅状凸起结构与第二周期性栅状凸起结构相同，凸起结构都具有导电性，且凸起结构分别与选址开关相连，第一周期性栅状凸起结构与第二周期性栅状凸起结构的中的凸起结构厚度均为190-210nm。
4.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（2）中采用加热后压印的方法在基底上涂布一层热塑性聚合物薄膜，形成聚合物薄膜层。
5.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（2）中用逆辊压印或平板转印技术将具有高延展性的一层石墨烯转移到聚合物薄膜层上，形成过渡材料层，最后加热基材，利用旋转涂胶工艺在石墨烯过渡材料层上涂布一层液态金属，形成液态金属层。
6.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（2）中的石墨烯过渡材料层的厚度为30-50nm，聚合物薄膜层的厚度为1-500μm。
7.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（2）中的液态金属为镓系金属或锡铟合金，液态金属的熔点低于50℃，液态金属层的厚度为30-200nm。
8.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（2）中加热基材时的温度在液态金属熔点以上，在热塑性聚合物玻璃态温度之下。
9.根据权利要求1所述的电场诱导成型可调制液态光栅的制造方法，其特征在于，步骤（4）中所进行的调制过程为：首先将电源负极通过选址开关与基材上的第二周期性栅状凸起结构相连，将电源正极通过选址开关与诱导模板上的第一周期性栅状凸起结构相连，然后根据光栅的栅距要求，通过调制选址开关来控制第一周期性栅状凸起结构与第二周期性栅状凸起结构是否带电，接着保持稳定的电压，直到光栅结构成型。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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