CN112230317B - 一种光电双驱动双层复合柔性光栅及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电双驱动双层复合柔性光栅,包括聚二甲基硅氧烷薄膜,聚二甲基硅氧烷薄膜的两端分别分布有石墨烯薄膜和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜。本发明还公开了一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法,本发明制作的光栅在近红外激光的照射下,可以连续调节石墨烯/聚二甲基的伸缩变形从而改变光栅的间距。

Description

一种光电双驱动双层复合柔性光栅及其制备方法
技术领域
本发明属于光声光谱衍射光学元件技术领域,涉及一种光电双驱动双层复合柔性光栅,本发明还涉及上述光栅的制备方法。
背景技术
光栅作为重要的光学元器件,被广泛应用于信息处理、光学检测、食品检测、集成光路以及光电传感器领域。光栅也被称之为衍射光栅,不同波长的光透过光栅能分散到不同的位置,实现分光,称之为光栅的色散原理。可调的柔性光栅可通过改变其光栅周期选择不同波长的光进行检测。
普通光栅由于制作工艺限制,大多使用二氧化硅或者一些氧化物体制成,制成的光栅大多由固定的光栅栅距,只能工作在固定的工作范围,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。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电双驱动双层复合柔性光栅,该光栅在近红外激光的照射下,可以连续调节石墨烯/聚二甲基的伸缩变形从而改变光栅的间距。
本发明的目的是还提供一种光电双驱动双层复合柔性光栅制作方法。本发明所采用的第一种技术方案是,一种光电双驱动双层复合柔性光栅,包括聚二甲基硅氧烷薄膜,聚二甲基硅氧烷薄膜的两端分别分布有石墨烯薄膜和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜。
本发明第一种技术方案的特点还在于,
聚二甲基硅氧烷薄膜为单层薄膜,石墨烯薄膜和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜组成双层薄膜。
贵金属纳米材料为金纳米线、金纳米颗粒、银纳米线以及银纳米颗粒中的一种。
聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜的厚度为1—10um;石墨烯薄膜的厚度为1—10um,聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为2—20um。
本发明采用的第二种技术方案为,一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法,具体包括如下步骤:
步骤1,清洗:根据所需要的光栅的工作波长,设计光栅周期,制作一个具有固定间隔的光栅掩模板,作为柔性光栅的基板,选择刻好的光栅硅片掩模板并清洗烘干;
步骤2;粘胶带:根据光栅掩模板上光栅刻线位置,用同等大小的胶带将光栅刻线与其它部位区分开;
步骤3;制备石墨烯薄膜:将石墨烯粉末分散到固化剂中形成散液,其中,石墨烯与固化剂的比例为15:1,将所得溶液进行真空除泡,搅拌均匀,用刷子均匀地涂抹在光栅掩模板上光栅刻线以外的区域,制得厚度均匀地石墨烯薄膜,石墨烯薄膜的厚度为1—10um。
步骤4;制备聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜:将贵金属纳米材料分散在PDMS中,得混合溶液A,PDMS的用量为6g—10g,贵金属纳米材料为PDMS质量分数的2%,将混合溶液A与固化剂形成混合液,其中,混合溶液A与固化剂的比例为10:1,搅拌均匀,进行真空除掉溶液中的气泡,搅拌完成,将所得溶液涂抹在步骤3制备的石墨烯薄膜上,均匀平铺固定在石墨烯薄膜3上,获得厚度均匀的薄膜,厚度为1um—10um;
步骤5;制备聚二甲基硅氧烷薄膜:将聚二甲基硅氧烷与固化剂搅拌均匀,其中,聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为10:1,真空除气泡,搅拌均匀,取下光栅掩模板上的胶带,将溶液涂抹在光栅掩模板的光栅刻线位置,获得厚度均匀的聚二甲基硅氧烷薄膜,厚度为2um—20um;
步骤6;对步骤4、5制得的薄膜进行真空干燥,冷却固化。
步骤7;剥离;剥离已经形成的光栅薄膜,用手将柔性光栅从光栅掩模板上取下,用刀片划取所需的薄膜尺寸,获得具有固定尺寸的双层柔性光栅薄膜。
本发明第二种技术方案的特点还在于,
步骤3~5中,固化剂均为带乙烯基侧链的预聚物。
本发明的有益效果是,利用光驱动/电驱动下石墨烯、聚二甲基硅氧烷的变形原理和薄膜弹性理论,制作柔性的可调光栅,该光栅的制作方法简单、制作成本低、实验操控性好,该柔性光栅的可调谐性好,光栅周期连续变化范围大,光电双驱动模式,驱动结构简单易操作。
附图说明
图1是本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅的结构图;
图2是一种光电双驱动双层复合柔性光栅中光栅掩模板的结构示意图
图3是本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅的驱动形变图;
图4是本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅的夹持装置与电驱动组件图;
图5本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法中涂布石墨烯的实验图;
图6是本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅制作方法中柔性光栅薄膜图。
图中,1.聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜,2.聚二甲基硅氧烷薄膜,3.石墨烯薄膜,4.光栅掩模板,5.近红外驱动器a,6.近红外驱动b,7.导电装置a,8.导电装置b,9.U形支撑架,10.连接件,11.连接孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅,如图1所示,包括聚二甲基硅氧烷薄膜2,聚二甲基硅氧烷薄膜2的两端分别分布有石墨烯薄膜3和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜1。
聚二甲基硅氧烷薄膜2为单层薄膜,石墨烯薄膜3和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜1均为双层薄膜。
贵金属纳米材料为金纳米线、金纳米颗粒、银纳米线以及银纳米颗粒中的一种。
聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜1的厚度为1—10um;石墨烯薄膜3的厚度为1—10um,聚二甲基硅氧烷薄膜2的厚度为2—20um。
本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法,具体包括如下步骤:
步骤1;清洗:根据所需要的光栅的工作波长,设计光栅周期,制作一个具有固定间隔的光栅掩模板4,作为柔性光栅的基板。选择刻好的光栅硅片掩模板并清洗烘干。
步骤2;粘胶带:根据光栅掩模板上光栅刻线位置,用同等大小的胶带将其与其它部位区分开。
步骤3;制备石墨烯薄膜:将石墨烯粉末(5g—10g)分散到固化剂中形成散液,固化剂为带乙烯基侧链的预聚物,其中,石墨烯与固化剂的比例为15:1,将所得溶液进行真空除泡,搅拌均匀,用刷子均匀地涂抹在光栅掩模板上光栅刻线以外的区域,制得厚度均匀地石墨烯层薄膜3,所得石墨烯层的厚度为1—10um。
步骤4;制备PDMS(聚二甲基硅氧烷)与贵金属纳米材料的混合物层薄膜1:将贵金属纳米材料分散在PDMS中,所述PDMS的用量为6g—10g,贵金属纳米材料为PDMS质量分数的2%。并与固化剂形成混合液,其中,主剂与固化剂的比例为10:1,搅拌均匀,进行真空除掉溶液中的气泡。搅拌完成,将其涂抹在石墨烯层薄膜上,均匀平铺固定在石墨烯薄膜层3上,获得厚度均匀地薄膜,其厚度为1um—10um。
在步骤4中,所述的贵金属纳米材料包括金纳米线,金纳米颗粒、银纳米线以及银纳米颗粒等,由于实验条件的限制,本次发明选用金纳米颗粒,成本低,实验分散性好。
步骤5;制备PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜2:PDMS的用量为5—10g,与一定剂量的固化剂搅拌均匀,其中,主剂与固化剂的比例为10:1,真空除气泡,搅拌均匀,取下光栅掩模板上的胶带,将溶液涂抹在光栅刻线位置。获得厚度均匀的PDMS层薄膜2,厚度为2um—20um。
步骤6;真空干燥;对上述步骤所得的有机物膜进行真空干燥,冷却固化。
步骤7;剥离;剥离已经形成的光栅薄膜,用手将柔性光栅从光栅掩模板4上取下,用刀片划取自己所需要的薄膜尺寸,获得具有一定尺寸的双层柔性光栅薄膜,中间部分为PDMS薄膜2,两端为石墨烯薄膜3与PDMS-贵金属纳米粒子混合物薄膜1。
制得柔性光栅后,将柔性光栅固定在夹具上,该夹具配备相应的光驱动系统,由近红外激光器a5、近红外激光器b6构成,还有相应的电驱动系统。由电传导装置a7和电传导装置b8构成。
图3所示,近红外驱动器a5和近红外驱动器b6发射的激光分别照射在聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜1和石墨烯薄膜3上,当红外激光器a5与近红外激光器b6都关闭时,柔性光栅2的光栅周期保持不变,当驱动激光,由于材料的弹性模量不一样,两端产生弯曲变形,导致柔性光栅的光栅周期产生变化。具体的,所用激光为808nm的近红外激光器,电激励大小为1V—3V的直流电压。
如图4所示,本发明制得的柔性光栅两端的聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜1和石墨烯薄膜3分别连接在导电装置a7和导电装置b8上,导电装置a7和导电装置b8安装在U形支撑架9上,U形支撑架9上设有连接件10,连接件10上设有连接孔11。
本发明一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法中,涂布石墨烯如图5所示,柔性光栅薄膜如图6所示。

Claims (5)

1.一种光电双驱动双层复合柔性光栅,其特征在于:包括聚二甲基硅氧烷薄膜,聚二甲基硅氧烷薄膜的两端均同时分布有石墨烯薄膜和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜;
所述聚二甲基硅氧烷薄膜为单层薄膜,石墨烯薄膜和聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜构成了双层薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种光电双驱动双层复合柔性光栅,其特征在于:所述贵金属纳米粒子为金纳米线、金纳米颗粒、银纳米线以及银纳米颗粒中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种光电双驱动双层复合柔性光栅,其特征在于:所述聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜的厚度为1—10μm;石墨烯薄膜的厚度为1—10μm,聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为2—20μm。
4.一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1,清洗:根据所需要的光栅的工作波长,设计光栅周期,制作一个具有固定间隔的光栅掩模板,作为柔性光栅的基板,选择刻好的光栅硅片掩模板并清洗烘干;
步骤2,粘胶带:根据光栅掩模板上光栅刻线位置,用同等大小的胶带将光栅刻线与其它部位区分开;
步骤3,制备石墨烯薄膜:将石墨烯粉末分散到固化剂中形成散液,其中,石墨烯与固化剂的比例为15:1,将所得溶液进行真空除泡,搅拌均匀,用刷子均匀地涂抹在光栅掩模板上光栅刻线以外的区域,制得厚度均匀地石墨烯薄膜,石墨烯薄膜的厚度为1—10μm;
步骤4,制备聚二甲基硅氧烷/贵金属纳米粒子混合物薄膜:将贵金属纳米材料分散在PDMS中,得混合溶液A,PDMS的用量为6g—10g,贵金属纳米材料为PDMS质量分数的2%,将混合溶液A与固化剂形成混合液,其中,混合溶液A与固化剂的比例为10:1,搅拌均匀,进行真空除掉溶液中的气泡,搅拌完成,将所得溶液涂抹在步骤3制备的石墨烯薄膜上,均匀平铺固定在石墨烯薄膜上,获得厚度均匀地薄膜,厚度为1μm—10μm;
步骤5,制备聚二甲基硅氧烷薄膜:将聚二甲基硅氧烷与固化剂搅拌均匀,其中,聚二甲基硅氧烷与固化剂的比例为10:1,真空除气泡,搅拌均匀,取下光栅掩模板上的胶带,将溶液涂抹在光栅掩模板的光栅刻线位置,获得厚度均匀的聚二甲基硅氧烷薄膜,厚度为2μm—20μm;
步骤6,对步骤4、5制得的薄膜进行真空干燥,冷却固化;
步骤7,剥离;剥离已经形成的光栅薄膜,用手将柔性光栅从光栅掩模板上取下,用刀片划取所需的薄膜尺寸,获得具有固定尺寸的双层柔性光栅薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种光电双驱动双层复合柔性光栅的制作方法,其特征在于,所述步骤3~5中,固化剂均为带乙烯基侧链的预聚物。
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