CN108802880B - 一种二维拉伸槽形可调透射光栅及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二维拉伸槽形可调透射光栅及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二维拉伸槽形可调透射光栅及其制备方法和应用，包括二维拉伸位移平台(2)和弹性基底闪耀光栅(4)，所述的二维拉伸位移平台(2)包括X向拉伸夹具(1)和Y向拉伸夹具(8)，所述的X向拉伸夹具(1)和Y向拉伸夹具(8)分别用于将弹性基底闪耀光栅(4)沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，所述的弹性基底闪耀光栅(4)的刻线方向沿X向或Y向。与现有技术相比，本发明在保持光栅周期不变的条件下，闪耀波长可调，具有很宽的使用波段；并且结构简单，闪耀波长易于调节。

Description

一种二维拉伸槽形可调透射光栅及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光栅光谱技术领域，涉及一种二维拉伸槽形可调透射光栅，具体涉及一种使用二维拉伸制作的可调谐闪耀波长的透射式闪耀光栅。
背景技术
在光栅光谱学领域，光栅作为一种非常重要的光学元件，被广泛应用于光谱分析、集成光路、光通信、光学互连、光信息处理、光学测量等领域中。当光栅槽面为锯齿形时，由标量衍射理论知道，光栅的光谱能量集中在某个级次的某个方向的衍射波长上，该波长称为闪耀波长，对应的级次称为闪耀级次。这种光栅称为闪耀光栅。
对于一块特定的光栅，其刻线密度和光栅的槽形都是不变的(即闪耀角不变)。如果刻线密度发生变化，则整个分光系统的光路结构都将发生变化，仪器将无法使用。但是，如果光栅的刻线密度不变，而闪耀角可调，则可以达到光谱能量可调的目的。
而现有技术中对闪耀光栅的调节都着眼于光栅刻线密度(光栅周期)的调节上，还没有技术能够实现在保证光栅的刻线密度不变的条件下，调节闪耀角。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种二维拉伸槽形可调透射光栅及其制备方法和应用，本发明的二维拉伸槽形可调透射光栅是一种光栅周期不变，闪耀波长可调的透射式闪耀光栅，具有很宽的使用波段。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种二维拉伸槽形可调透射光栅，包括二维拉伸位移平台和弹性基底闪耀光栅，所述的二维拉伸位移平台包括X向拉伸夹具和Y向拉伸夹具，所述的X向拉伸夹具和Y向拉伸夹具分别用于将弹性基底闪耀光栅沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，所述的弹性基底闪耀光栅的刻线方向沿X向或Y向。
作为优选的技术方案，所述的弹性基底闪耀光栅呈十字形片状结构，由呈正方形片状结构的光栅部及连接在光栅部各边的矩形延展拉伸部组成，弹性基底闪耀光栅的刻线设置在光栅部，各延展拉伸部尺寸相等，光栅部和延展拉伸部一体成型。
作为优选的技术方案，所述的延展拉伸部的长度为光栅部边长的一半。
延展拉伸部的长度与光栅部边长的比例可以根据实际情况进行选择，当延展拉伸部的长度为光栅部边长的一半时，可以减小非使用的延展拉伸部对光栅部应力的均匀性影响。
作为优选的技术方案，相邻两个延展拉伸部的连接处做圆角处理，所述的圆角的半径为光栅部边长的1/20～1/10。
通过设置上述圆角可以减小非使用的延展拉伸部对光栅部应力的均匀性影响，同时保证弹性基底闪耀光栅不是那么容易被拉断。
作为优选的技术方案，所述的X向拉伸夹具和Y向拉伸夹具上均设有夹持部，弹性基底闪耀光栅的四个延展拉伸部分别与X向拉伸夹具或Y向拉伸夹具上的夹持部连接，并且各延展拉伸部的宽度不大于用于夹持其的夹持部的宽度。
作为进一步优选的技术方案，各延展拉伸部的宽度与用于夹持其的夹持部的宽度相匹配。
作为优选的技术方案，所述的弹性基底闪耀光栅的基底材质为PDMS。
所述的二维拉伸槽形可调透射光栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择光栅母版；
(2)将液态弹性基底材料均匀铺设在光栅母版上，固化成膜后剥离，裁剪，得到弹性基底闪耀光栅；
(3)将弹性基底闪耀光栅连接在二维拉伸位移平台上，得到所述的二维拉伸槽形可调透射光栅。
作为优选的技术方案，所述的光栅母版的闪耀波长为650～750nm。
本发明的闪耀波长的调节只能向波长短的方向调节，故而，本发明的闪耀波长选择通常是要大于实际的目标闪耀波长。
在空气中，光栅闪耀波长的计算可以近似地有：
Figure BDA0001287129790000021
其中n为光栅介质反射率，λR为反射式光栅的闪耀波长，λT为相同槽形透射式光栅的闪耀波长。由于透射式光栅除了跟光栅最小单元的槽形有关，还与槽形所在的介质的折射率有关，不同的介质的基地就会有不同的折射率。如果以透射式的光栅作为母版，我们使用上面简单公式消掉λR则可得不同折射率下的透射式光栅的闪耀波长关系：
Figure BDA0001287129790000031
其中，nR1、nR2分别为相同槽形光栅介质的折射率，λT1、λT2分别为相同槽形光栅的透射闪耀波长。对于本发明的弹性基底闪耀光栅制备工艺，复制出来的槽形可以认为是相同的，而介质是不一样的。母版的介质一般是环氧树脂，折射率为1.6；PDMS的折射率约为1.415，可以使用上述公式选择母光栅。
本发明根据垂直入射条件下的透射式闪耀光栅的衍射效率和闪耀波长的关系公式以及使用基于严格的耦合波理论的光栅仿真软件GSolver模拟综合分析，确定使用闪耀波长在650～750nm的闪耀光栅作为光栅母版。
作为优选的技术方案，所述的液态弹性基底材料由PDMS预凝胶和固化剂按照10:1的质量比混合均匀制得，所述的液态弹性基底材料在光栅母版上的铺设厚度为1mm。
考虑PDMS的硬度指标的基础上，选择上述PDMS预凝胶和固化剂的配比以及液态弹性基底材料在光栅母版上的铺设厚度，使弹性基底材料保持良好的弹性，易于拉伸。
所述的二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，将弹性基底闪耀光栅沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，通过调整两个方向的拉伸组合，在保持光栅周期不变的情况下，改变闪耀角，实现闪耀波长的调节。
本发明根据弹性基底闪耀光栅(尤其当其采用PDMS时)的弹性特征和透光特性，用二维拉伸位移平台的夹具对PDMS光栅进行二维拉伸，在保证光栅线密度(即光栅周期)不变的情况下，改变光栅槽形，使闪耀波长移动到所需要的波长位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明能够在保持闪耀光栅的刻线密度不变的同时，使闪耀角可调，从而达到光谱能量可调的目的。
(2)本发明结构简单，闪耀角调节方便，调节时，可先进行垂直于刻线方向的拉伸，光栅刻线密度变大，周期变小；然后再进行刻线方向的拉伸，光栅的刻线密度变小，周期变大，结合两个方向的拉伸效果，调整两个方向的拉伸组合，即调节对应的位移(拉伸相同的比例)即可，从而保持光栅的刻线密度的不变。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的弹性基底闪耀光栅的结构示意图；
图3为本发明的弹性基底闪耀光栅的拉伸示意图，其中，图3(a)为弹性基底闪耀光栅的原始状态示意图，图3(b)为弹性基底闪耀光栅的Y向拉伸状态示意图，图3(b’)为弹性基底闪耀光栅的X向拉伸状态示意图，图3(c)为弹性基底闪耀光栅的二维拉伸示意图；
图4为弹性基底闪耀光栅的最小单元进行二维拉伸前后的示意图，图4(a)为弹性基底闪耀光栅的最小单元的原始状态示意图，图4(b)为弹性基底闪耀光栅的最小单元的二维拉伸状态示意图；
图5为本发明的弹性基底闪耀光栅的制作示意图。
图中，1为X向拉伸夹具，2为二维拉伸位移平台，3为夹持部，4为弹性基底闪耀光栅，41为光栅的最小单元，42为光栅部，43为延展拉伸部，44为圆角，5为夹具紧固旋钮，6为平台掏空部位，7为拉伸位移调节旋钮，8为Y向拉伸夹具，9为光栅母版，10为液态弹性基底材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1。
一种二维拉伸槽形可调透射光栅，如图1所示，包括二维拉伸位移平台2和弹性基底闪耀光栅4，二维拉伸位移平台2包括X向拉伸夹具1和Y向拉伸夹具8，X向拉伸夹具1和Y向拉伸夹具8分别用于将弹性基底闪耀光栅4沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，弹性基底闪耀光栅4的刻线方向沿X向或Y向。
本实施例中的二维拉伸位移平台2还包括平台底板，X向拉伸夹具1设有两个，两个X向拉伸夹具1的夹持部3相对设置在平台底板上，Y向拉伸夹具8设有两个，两个Y向拉伸夹具8的夹持部3相对设置在平台底板上，每个X向拉伸夹具1和Y向拉伸夹具8与平台底板之间均设有拉伸位移调节旋钮7，用于调节夹具之间的距离，从而实现对弹性基底闪耀光栅4的拉伸，各夹具上还设有用于将夹持部3夹紧的夹具紧固旋钮5。本实施例中的弹性基底闪耀光栅4的基底材质为PDMS，为了使光线可以方便地穿透弹性基底闪耀光栅4，在平台底板镂空，形成平台掏空部位6。
其中，如图1～2所示，弹性基底闪耀光栅4呈十字形片状结构，由呈正方形片状结构的光栅部42及连接在光栅部42各边的矩形延展拉伸部43组成，弹性基底闪耀光栅4的刻线设置在光栅部42，各延展拉伸部43尺寸相等，光栅部42和延展拉伸部43一体成型，弹性基底闪耀光栅4的四个延展拉伸部43分别与X向拉伸夹具1或Y向拉伸夹具8上的夹持部3连接，并且各延展拉伸部43的宽度不大于用于夹持其的夹持部3的宽度。延展拉伸部43的长度与光栅部42边长的比例根据实际情况进行选择。相邻两个延展拉伸部43的连接处做圆角处理，圆角44的半径为光栅部边长的1/20～1/10。具体到本实施例中，光栅部的边长为30mm，圆角的半径为2mm，该弹性基底闪耀光栅4可由边长为60mm的正方形片状结构裁剪得到。弹性基底闪耀光栅4的各延展拉伸部43的宽度与用于夹持其的夹持部3的宽度相等，平台掏空部位6呈正方形，设置在光栅部42的下方，并且该平台掏空部位6的边长大于光栅部42的边长。
该二维拉伸槽形可调透射光栅的制备方法，包括以下步骤：
(1)选择光栅母版9：
具体地，根据垂直入射条件下的透射式闪耀光栅的衍射效率和闪耀波长的关系公式以及使用基于严格的耦合波理论的光栅仿真软件GSolver模拟综合分析，加之拉伸会使波长往短波方向移动，确定使用闪耀波长在700nm左右(650～750nm)的闪耀光栅作为母版。母版光栅槽形为锯齿形。
(2)将液态弹性基底材料10均匀铺设在光栅母版9上，固化成膜后剥离(如图5所示)，裁剪，得到弹性基底闪耀光栅4：
将固化剂和PDMS预凝胶以一定的比例考虑PDMS的硬度指标，一般取预凝胶和固化剂质量比10:1配置液态弹性基底材料10(液态PDMS)。将配置好的液态PDMS充分搅拌使两种组份充分均匀，然后放置在真空箱内抽真空，以去除液态PDMS中间的气泡。待真空箱中的液态PDMS清澈透明后，将真空箱打开取出液态PDMS。将取出的液态PDMS均匀倾倒在上述光栅母版上，保持1mm厚度，待液态PDMS在光栅表面分布均匀后，整体放置在高温烘箱中高温固化，形成PDMS薄膜，而后将PDMS薄膜小心揭下，得到片状的PDMS光栅。将片状的PDMS光栅裁剪呈十字形，得到弹性基底闪耀光栅4。根据实际应用情况及弹性基底闪耀光栅大小的不同，弹性基底闪耀光栅也可以做成不同的剪裁形状。特点是将处理成正方形片状的PDMS光栅去掉四个角，角的边缘做圆角处理。
(3)将弹性基底闪耀光栅4连接在二维拉伸位移平台2上，得到二维拉伸槽形可调透射光栅。
该二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，将弹性基底闪耀光栅4沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，通过调整两个方向的拉伸组合，在保持光栅周期不变的情况下，改变闪耀角，实现闪耀波长的调节。
具体地：
将弹性基底闪耀光栅4安放在图1所示的二维拉伸位移平台上，旋紧夹具紧固旋钮5。调整拉伸位移调节旋钮7进行二维拉伸。确定光栅刻线方向，如图1和3(a)所示，可假设前后方向为刻线方向。则在中间区域内，可先只进行前后方向的拉伸(如图3(b’)所示)，光栅刻线密度变大，周期变小；再进行左右方向的拉伸(如图3(c)所示)，光栅的刻线密度变小，周期变大；结合前后左右的拉伸效果，调整图3中F1(左右方向)和F2(前后方向)的两个方向的拉伸组合，即调节对应的位移过程中总会存在一个比例保持光栅的刻线密度的不变。二维调节过程中，也可以先进行左右方向的拉伸(如图3(b)所示)，然后再进行前后方向的拉伸(如图3(c)所示)。
对弹性基底闪耀光栅4进行二维拉伸，可以两个方向保持刻线密度不变，从而使光栅周期d不变。选择相同的拉伸比例，来调节光栅拉伸位移调节旋钮。二维拉伸过程中，随着拉伸位移的增加，光栅被拉伸更长，光栅的最小单元41中，光栅槽形将会从图4(a)变到图4(b)，光栅的高度将会从a变到更小的b，光栅等效闪耀角α会变成更小的β，如图5所示，光栅闪耀波长将向着短波方向移动。从而实现在保持光栅的刻线密度的不变的同时，改变光栅槽形，进而实现闪耀波长可调。

Claims (9)

1.一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，包括二维拉伸位移平台(2)和弹性基底闪耀光栅(4)，所述的二维拉伸位移平台(2)包括X向拉伸夹具(1)和Y向拉伸夹具(8)，所述的X向拉伸夹具(1)和Y向拉伸夹具(8)分别用于将弹性基底闪耀光栅(4)沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，所述的弹性基底闪耀光栅(4)的刻线方向沿X向或Y向；
将弹性基底闪耀光栅(4)沿互相垂直的X向和Y向进行二维拉伸，通过调整两个方向的拉伸组合，在保持光栅周期不变的情况下，改变闪耀角，实现闪耀波长的调节。
2.根据权利要求1所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，所述的弹性基底闪耀光栅(4)呈十字形片状结构，由呈正方形片状结构的光栅部(42)及连接在光栅部(42)各边的矩形延展拉伸部(43)组成，弹性基底闪耀光栅(4)的刻线设置在光栅部(42)，各延展拉伸部(43)尺寸相等，光栅部(42)和延展拉伸部(43)一体成型。
3.根据权利要求2所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，所述的延展拉伸部(43)的长度为光栅部(42)边长的一半。
4.根据权利要求2或3所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，相邻两个延展拉伸部(43)的连接处做圆角处理，所述的圆角(44)的半径为光栅部边长的1/20～1/10。
5.根据权利要求2所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，所述的X向拉伸夹具(1)和Y向拉伸夹具(8)上均设有夹持部(3)，弹性基底闪耀光栅(4)的四个延展拉伸部(43)分别与X向拉伸夹具(1)或Y向拉伸夹具(8)上的夹持部(3)连接，并且各延展拉伸部(43)的宽度不大于用于夹持其的夹持部(3)的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，所述的弹性基底闪耀光栅(4)的基底材质为PDMS。
7.根据权利要求1所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，二维拉伸槽形可调透射光栅的制备方法包括以下步骤：
(1)选择光栅母版(9)；
(2)将液态弹性基底材料(10)均匀铺设在光栅母版(9)上，固化成膜后剥离，裁剪，得到弹性基底闪耀光栅(4)；
(3)将弹性基底闪耀光栅(4)连接在二维拉伸位移平台(2)上，得到所述的二维拉伸槽形可调透射光栅。
8.根据权利要求7所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，所述的光栅母版(9)的闪耀波长为650～750nm。
9.根据权利要求7所述的一种二维拉伸槽形可调透射光栅的应用，其特征在于，所述的液态弹性基底材料(10)由PDMS预凝胶和固化剂按照10:1的质量比混合均匀制得，所述的液态弹性基底材料(10)在光栅母版(9)上的铺设厚度为1mm。
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