CN111880261B - 一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体及加工方法 - Google Patents

一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，包括若干个堆叠在一起的双层晶体结构，双层晶体结构包括玻璃基片和石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上与环形玻璃基片中空部分对应的区域设置有周期性微结构图形，使得该双层晶体结构形成了一石墨烯薄膜层和一空气层，改变玻璃基片的厚度即可调节空气层的厚度；石墨烯薄膜上的周期性微结构图形采用激光刻蚀方法根据设计图形制作。本发明还同时提供了一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的加工方法。本发明能够快速制备光子晶体，工艺简单易于实现，设计的微周期结构的尺寸、刻蚀图形等参数均能快速调节，最终实现对不同频率的光在光子晶体中传播的控制，具有极好的设计灵活性和参数可调性。

Description

一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体及加工方法
技术领域
本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体及加工方法。
背景技术
激光刻蚀加工是将高光束质量的小功率激光束，聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，在极短的时间内产生很高的能量密度，以其高能量使材料快速汽化蒸发、熔化，形成孔和缝等结构。由于激光束具有可聚焦为激光波长级别的极小光斑的特点，所以激光刻蚀技术可加工宽度为微米级别的线。由于激光加工是无接触加工，且具有柔性化程度高、加工速度快、无噪声、热影响区域小的特点，所以激光刻蚀加工具有很好的尺寸精度和加工质量。
光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，也称光子禁带材料。光子晶体中存在着由高低折射率的材料交替排列形成的周期性结构，可以产生光子晶体带隙，而周期排列的低折射率位点之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应，那么具有一定频率的光会在具有对应周期距离的光子晶体中被完全禁止传播。此外可以通过引入缺陷破坏故光子晶体的周期结构特性，在光子带隙中形成相应的缺陷能级，只有特定频率的光能够在该能级中出现。
目前，可调谐光子晶体的制备方法的研究仍有很大的发展空间。因为电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，所以改变外部环境，如电场、磁场、温度等，就能对光子带隙进行调制。通常实现可调谐光子晶体的方法是利用电场或温度调节液晶或半导体等材料。温度调节的时间响应较慢，通常在毫秒～秒的量级。电场调节可以实现较快的时间响应，但如何将电流和电压加到光子晶体上也是需要解决的问题。此外，大部分光子晶体制备完成后，其特性很难发生变化，仅能对特定频率的光波产生能带效应，有些种类的光子晶体可以在工作工程中发生改变，但修改结构所需时间极长，调控效率很低，调节范围很窄。因此，需要简单、低成本的制备方法在提升温度调节响应时间的基础上制备出可调谐光子晶体。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体；同时本发明还提供了一种光子晶体的加工方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，包括若干个堆叠在一起的双层晶体结构，所述双层晶体结构包括玻璃基片和石墨烯薄膜，所述玻璃基片内部中空，外围为一长方形；石墨烯薄膜粘连覆盖在玻璃基片上，且其宽度与玻璃基片的外围宽度一致，其长度大于玻璃基片的外围长度，使得玻璃基片两端均留有石墨烯薄膜余量，用于连接热源；石墨烯薄膜上与环形玻璃基片中空部分对应的区域设置有周期性微结构图形，使得该双层晶体结构形成了一石墨烯薄膜层和一空气层，改变玻璃基片的厚度即可调节空气层的厚度，改变石墨烯薄膜的厚度即可调节石墨烯薄膜层的厚度；石墨烯薄膜上的周期性微结构图形采用激光刻蚀方法根据设计图形制作。
本发明还提供了一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的加工方法，包括以下步骤：
(1)材料准备：所述材料包括玻璃基片和石墨烯薄膜；
所述玻璃基片内部中空，外围为一长方形；所述石墨烯薄膜具有粘连性，即将石墨烯吸附在导热双面胶的一面形成具有粘连特性的石墨烯薄膜；石墨烯薄膜的宽度与玻璃基片的外围宽度一致，其长度大于玻璃基片的外围长度；
(2)将具有粘连性的石墨烯薄膜粘连在环形玻璃基片上，要求石墨烯薄膜完全覆盖玻璃基片上的中空区域，且粘连后的玻璃基片两端均留有石墨烯薄膜余量；
(3)采用激光刻蚀方法在石墨烯薄膜上与环形玻璃基片中空部分对应的区域制作周期性微结构图形，得到双层晶体结构，该双层晶体结构包含一石墨烯薄膜层和一空气层，改变玻璃基片的厚度即可调节空气层的厚度，改变石墨烯薄膜的厚度即可调节石墨烯薄膜层的厚度；所述周期性微结构图形根据设计要求提前确定；所述激光刻蚀方法是指通过激光束多次重复扫描将石墨烯薄膜完全穿透形成周期性微结构图形；
(4)将若干个石墨烯薄膜与玻璃基片构成的双层晶体结构进行堆叠，其叠层结构即构成光子晶体，叠层数量、空气层的厚度、石墨烯薄膜层的厚度根据光子晶体的设计结构尺寸而确定，石墨烯薄膜2上的周期性微结构图形根据需要任意设计；不同层的双层晶体结构采用不同图形即形成多层多种图案的复合光子晶体结构。
1、本发明设计了一种基于激光刻蚀加工制备可调谐的石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，所制备的光子晶体人工微结构为周期性阵列微结构，刻蚀图形可任意选择，带有刻蚀图案的单层样品可任意搭配实现快速调谐。石墨烯薄膜利用高光束质量的激光刻蚀诱导产生微纳米结构，具有这种结构的石墨烯薄膜能够形成具有波长选择功能的光子晶体，能够有选择性的使某些频率的光通过并阻止其它频率的光通过。
2、光子晶体的晶格尺寸是微纳米尺度的，其制备有一定的难度，现行的制备方法如介质棒堆积、胶体颗粒自组织生长等方法均无法有效实现任意图形的周期阵列结构的三维光子晶体的快速制备，本发明采用激光刻蚀加工工艺，可以实现对光子晶体人工微结构的精细控制，制备的光子晶体的微周期性结构可以任意设计，如直线型微缝结构、环形微缝结构、微孔结构等，也可以复合多种图案结构，对玻璃基底的表面粗糙度没有要求，能够快速、有效的制备光子晶体。
3、本发明利用石墨烯薄膜制备可调谐光子晶体，利用可控温热源实现可调谐能力，解决了传统石墨烯光子晶体利用周期性电极实现光子晶体可调谐能力的困难，石墨烯具有极好的光电可调特性，但电调控石墨烯光子晶体需要设计合理的调控电极，效率较低，且如何将电流和电压加到光子晶体上也是比较困难的问题；石墨烯具有极高的热导率和延展性，热量在石墨烯薄膜中能快速传播，且石墨烯薄膜的面热膨胀系数随温度的变化而变化，利用石墨烯薄膜材料制备的微纳米结构尺寸会因为温度的变化发生改变，所制备的光子晶体能对温度调节进行快速响应，解决了传统光子晶体温度响应慢的问题。
4、本发明利用层层叠加的方式，将制备的石墨烯薄膜光子晶体进行堆叠，且在玻璃基片两侧留有与可控温热源连接的石墨烯薄膜余量作为连接端，不需要额外考虑如何将石墨烯薄膜堆叠的光子晶体与热源连接的问题，极大程度上简化了光子晶体与热源的连接方式。
5、本发明利用高光束质量的激光对粘连在环形玻璃基片上的石墨烯薄膜材料进行刻蚀处理形成人工微周期结构制备的石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，能够快速制备，工艺简单且易于实现，设计的微周期结构的尺寸、刻蚀图形等参数均能快速调节，最终实现对不同频率的光在光子晶体中传播的控制，具有极好的设计灵活性和参数可调性。
6、本发明可以大面积制备石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，传统的介质棒堆积、胶体颗粒自组织生长等制备方式难以实现大面积制备，与之相比，激光直接刻蚀石墨烯薄膜制备光子晶体不仅能实现大面积制备，且加工效率高、经济快捷。
7、本发明采用的激光直接刻蚀的制备方法，属于无接触加工，对石墨烯薄膜没有直接冲击；该方法对环境友好，不产生噪声和污染，不浪费材料。
附图说明
图1为石墨烯薄膜堆叠的光子晶体立体结构图；
图2为石墨烯薄膜堆叠的光子晶体主视图；
图3为本发明所述加工方法的流程图；
图4为直线形微缝结构示意图；
图5为环形微缝结构示意图；
图6为微孔结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，包括若干个堆叠在一起的双层晶体结构，所述双层晶体结构包括玻璃基片1和石墨烯薄膜2，所述玻璃基片1内部中空，外围为一长方形；石墨烯薄膜2粘连覆盖在玻璃基片1上，且其宽度与玻璃基片1的外围宽度一致，其长度大于玻璃基片1的外围长度，使得玻璃基片1两端均留有石墨烯薄膜余量3，以便于连接热源。石墨烯薄膜2上与环形玻璃基片1中空部分对应的区域设置有周期性微结构图形，使得该双层晶体结构形成了一石墨烯薄膜层和一空气层5，改变玻璃基片1的厚度即可调节空气层5的厚度，改变石墨烯薄膜2的厚度即可调节石墨烯薄膜层的厚度。
石墨烯薄膜2上的周期性微结构图形采用激光刻蚀方法根据设计图形制作。若干个上述石墨烯薄膜2与玻璃基片1构成的双层晶体结构进行堆叠，其叠层结构即构成光子晶体。若干个双层晶体结构可以相同，也可以不同。叠层数量、空气层的厚度、石墨烯薄膜层的厚度根据光子晶体的设计结构尺寸而确定，石墨烯薄膜2上的周期性微结构图形可以任意设计，如直线型微缝结构、环形微缝结构、微孔结构等。不同层采用不同图形即形成多层多种图案的复合光子晶体结构。每一层石墨烯薄膜的刻蚀图案可任意调换实现调谐，并可利用通过留有的余量连接的热源调节温度得到热可调谐光子晶体。
如图3所示，本发明还提供了一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的加工方法，具体包括以下步骤：
(1)材料准备：所述材料包括玻璃基片1和石墨烯薄膜2。
玻璃基片1选用主要含有的石英玻璃；要求玻璃基片1中间区域经切割处理后形成中空的环形玻璃基片，玻璃基片1的中间区域的尺寸即对应粘连覆盖在玻璃基片1上的石墨烯薄膜2进行图案化刻蚀的区域大小，玻璃基片1厚度、石墨烯薄膜2厚度均可灵活选择；
石墨烯薄膜2具有粘连性，即石墨烯吸附在导热双面胶的一面形成具有粘连特性的石墨烯薄膜2，该导热双面胶由亚克力聚合物填充导热陶瓷粉末，与有机硅胶粘剂复合而成，应具有高导热性和强粘性。这样石墨烯薄膜2能够粘连覆盖在玻璃基片1上，方便对设计的光子晶体人工微结构图形区域进行激光刻蚀加工和堆叠处理；
(2)将具有粘连性的石墨烯薄膜2粘连在环形玻璃基片1上，要求石墨烯薄膜2完全覆盖玻璃基片1上的中间区域，且粘连后的石墨烯薄膜2在玻璃基板1两侧留有一定石墨烯薄膜余量3，方便连接可控温热源4；
优选的，完成粘连的石墨烯薄膜2在玻璃基板1两侧留有完全相同的余量；
(3)利用短脉冲激光束对粘连在玻璃基片1上的石墨烯薄膜2上设计的光子晶体人工微结构图形区域进行刻蚀处理，人工微结构图形可以预先设计，也可以使用包括直线型微缝(如图4所示)、环形微缝(如图5所示)、微孔(如图6所示)等多种典型结构样式；对人工微结构进行刻蚀处理，即通过激光束多次重复扫描将石墨烯薄膜2完全穿透形成微孔、微缝等结构；要求在有辅助气体的情况下进行刻蚀加工，因为在刻蚀过程中，由于激光加工产生的飞溅物会吸附在石墨烯薄膜2表面，会对所制备的光子晶体产生影响，通过辅助气体可以吹掉飞溅物，得到更好的刻蚀效果；当所有的人工微结构的图形区域都刻蚀完成，就形成了单层石墨烯薄膜；
优选的，对于设计的人工微结构可以设计为周期性阵列结构，并充分在设计的图形区域完成刻蚀；
(4)将经过激光刻蚀处理后得到的单层石墨烯薄膜通过层层叠加的方式进行堆叠处理，对同一刻蚀图形，利用不同的激光参数可以得到不同尺寸的微结构，堆叠处理时可将带有不同结构或尺寸刻蚀图形的石墨烯薄膜任意组合实现该光子晶体的快速调谐，这样就得到了石墨烯薄膜和空气组成的不同折射率介质交替排列形成的周期性结构，产生光子晶体带隙，形成石墨烯薄膜堆叠的光子晶体；
优选的，所制备的单层石墨烯薄膜具有相同的厚度，这样形成的周期排列的低折射率位点之间的距离大小相同；
(5)将石墨烯薄膜堆叠的光子晶体两侧留有的石墨烯薄膜2的余量3与可控温热源4连接，形成热可调谐的石墨烯薄膜堆叠的光子晶体(如图1所示)；由于单层石墨烯的面热膨胀系数随温度的变化而变化，连接有可控温热源4之后，根据石墨烯材料的导热性能和热膨胀特性，连接的热源在石墨烯薄膜中形成导热通路，刻蚀的人工微结构区域会因为石墨烯的热膨胀特性而发生尺寸变化，得到热可调谐光子晶体；
优选的，将可控温热源4与石墨烯堆叠的光子晶体连接，要求可控温热源4产生稳定均匀的热且具有快速调节温度的能力；
至此，可调谐的石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的制备结束。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，其特征在于，包括若干个堆叠在一起的双层晶体结构，所述双层晶体结构包括玻璃基片(1)和石墨烯薄膜(2)，所述玻璃基片(1)内部中空，外围为一长方形；石墨烯薄膜(2)粘连覆盖在玻璃基片(1)上，且其宽度与玻璃基片(1)的外围宽度一致，其长度大于玻璃基片(1)的外围长度，使得玻璃基片(1)两端均留有石墨烯薄膜余量，用于连接热源；石墨烯薄膜(2)上与环形玻璃基片(1)中空部分对应的区域设置有周期性微结构图形，使得该双层晶体结构形成了一石墨烯薄膜层和一空气层(5)，改变玻璃基片(1)的厚度即可调节空气层(5)的厚度，改变石墨烯薄膜(2)的厚度即可调节石墨烯薄膜层的厚度；石墨烯薄膜(2)上的周期性微结构图形采用激光刻蚀方法根据设计图形制作，玻璃基片(1)两端留有的石墨烯薄膜余量与热源连接，得到热可调谐光子晶体。
2.根据权利要求1所述的基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体，其特征在于，若干个双层晶体结构采用不同的周期性微结构图形即形成多层多种图案的复合光子晶体结构。
3.一种基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：材料准备：所述材料包括玻璃基片(1)和石墨烯薄膜(2)；
所述玻璃基片(1)内部中空，外围为一长方形；所述石墨烯薄膜(2)具有粘连性，即将石墨烯吸附在导热双面胶的一面形成具有粘连特性的石墨烯薄膜(2)；石墨烯薄膜(2)的宽度与玻璃基片(1)的外围宽度一致，其长度大于玻璃基片(1)的外围长度；
步骤2：将具有粘连性的石墨烯薄膜(2)粘连在环形玻璃基片(1)上，要求石墨烯薄膜(2)完全覆盖玻璃基片(1)上的中空区域，且粘连后的玻璃基片(1)两端均留有石墨烯薄膜余量；
步骤3：采用激光刻蚀方法在石墨烯薄膜(2)上与环形玻璃基片(1)中空部分对应的区域制作周期性微结构图形，得到双层晶体结构，该双层晶体结构包含一石墨烯薄膜层和一空气层，改变玻璃基片(1)的厚度即可调节空气层的厚度，改变石墨烯薄膜(2)的厚度即可调节石墨烯薄膜层的厚度；所述周期性微结构图形根据设计要求提前确定；所述激光刻蚀方法是指通过激光束多次重复扫描将石墨烯薄膜(2)完全穿透形成周期性微结构图形；
步骤4：将若干个石墨烯薄膜(2)与玻璃基片(1)构成的双层晶体结构进行堆叠，其叠层结构即构成光子晶体，叠层数量、空气层的厚度、石墨烯薄膜层的厚度根据光子晶体的设计结构尺寸而确定，石墨烯薄膜(2)上的周期性微结构图形根据需要任意设计；不同层的双层晶体结构采用不同的周期性微结构图形即形成多层多种图案的复合光子晶体结构。
4.根据权利要求3所述的基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的加工方法，其特征在于，还包括：将玻璃基片(1)两端留有的石墨烯薄膜余量(3)与可控温热源(4)连接，形成热可调谐的石墨烯薄膜堆叠的光子晶体。
5.根据权利要求3所述的基于激光刻蚀石墨烯薄膜堆叠的光子晶体的加工方法，其特征在于，步骤4中每个双层晶体结构具有相同的厚度，使得形成的周期排列的低折射率位点之间的距离大小相同。
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Application publication date: 20201103

Assignee: WENZHOU SEN HAI ENVIRONMENTAL PROTECTION EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: Pingyang Intelligent Manufacturing Research Institute of Wenzhou University

Contract record no.: X2022330000891

Denomination of invention: Photonic crystal based on laser etching graphene film stack and its processing method

Granted publication date: 20220510

License type: Common License

Record date: 20221228

Application publication date: 20201103

Assignee: Pingyang branch of Zhejiang Huiren pharmaceutical chain Co.,Ltd.

Assignor: Pingyang Intelligent Manufacturing Research Institute of Wenzhou University

Contract record no.: X2022330000889

Denomination of invention: Photonic crystal based on laser etching graphene film stack and its processing method

Granted publication date: 20220510

License type: Common License

Record date: 20221228

Application publication date: 20201103

Assignee: WENZHOU SUIREN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Pingyang Intelligent Manufacturing Research Institute of Wenzhou University

Contract record no.: X2022330000888

Denomination of invention: Photonic crystal based on laser etching graphene film stack and its processing method

Granted publication date: 20220510

License type: Common License

Record date: 20221228

Application publication date: 20201103

Assignee: Zhejiang Huike Coating Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Pingyang Intelligent Manufacturing Research Institute of Wenzhou University

Contract record no.: X2022330000890

Denomination of invention: Photonic crystal based on laser etching graphene film stack and its processing method

Granted publication date: 20220510

License type: Common License

Record date: 20221228