CN113640907A - 一种制备薄膜光栅的装置及方法 - Google Patents

一种制备薄膜光栅的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备薄膜光栅的装置及方法，属于光栅制备技术领域，所述装置包括夹持薄膜两端的夹持机构，夹持机构之间固定设置两根限位柱，且限位柱与薄膜的一侧相切，薄膜的另一侧、垂直于薄膜的方向上设置应力施加机构，夹持机构、限位柱和应力施加机构均设置于作业平台上；所述方法为制备薄膜后通过应力施加件对其施加应力，再利用等离子体处理技术对薄膜进行处理后缓慢释放应力，制备得到薄膜光栅。本发明的制备装置结构简单，易于实现，可以一次性将多根薄膜安装在有多个限位槽的薄膜夹具中，采用一个阶梯状应力施加件，实现同时制备多根不同周期和振幅的光栅，适用于大批量制备多周期和振幅薄膜光栅。

Description

一种制备薄膜光栅的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种制备薄膜光栅的装置及方法，属于光栅制备技术领域。
背景技术
光栅作为一种重要的光学元件，被广泛应用于光谱分析、光通信、集成光学、信息处理、光学测量等领域中。随着微纳加工技术的飞速发展，光栅制备工艺也取得了显著进步。目前常用的光栅制备工艺主要有光刻技术和自组装技术。由于光刻技术成本过高，不适合大面积大批量生产；自组装技术是通过在聚合物表面形成周期性的褶皱结构来制备一些具有一定功能的器件，形成的结构与光栅周期性结构在原理上具有相通性，并且自组装技术在纳米颗粒自组装、柔性光学器件、液晶显示、微流控芯片、可拉伸柔性电极和薄膜度量等方面已取得成功应用。
自组装技术大多是以一种柔性聚合物作为衬底，在其表面形成与衬底弹性模量不同的刚性层，当应力超过临界应力时，薄膜表面就形成褶皱结构。形成褶皱结构的方法有很多，主要有热处理法、化学氧化法、机械拉伸释放法等，其中热处理法和化学氧化法工艺比较复杂，成本昂贵，机械拉伸释放法操作简单，成本低，比较受欢迎。目前该方法主要靠人工在薄膜两侧施加力使薄膜发生弯曲，通过这种方式产生的应变不准确，无法精确控制，不可靠，无法保证薄膜产生对称的应变，每次只能制备一根薄膜光栅，生产效率比较低，无法实现大批量生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备薄膜光栅的装置及方法，采用一种阶梯状的应力施加件，能够同时对多根薄膜精确施加不同的可控应力实现制备不同周期和振幅的薄膜光栅。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种制备薄膜光栅的装置，包括夹持薄膜两端的夹持机构，所述夹持机构之间固定设置两根限位柱，且限位柱与薄膜的一侧相切，所述薄膜的另一侧、垂直于薄膜的方向上设置应力施加机构，所述夹持机构、限位柱和应力施加机构均设置于作业平台上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述夹持机构包括夹持薄膜两端的薄膜夹具，所述薄膜夹具通过L形支架固定设置于位移平台上，所述位移平台设置于作业平台上，且位移平台的高度和在作业平台上的位置可调。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述应力施加机构包括与薄膜相对应的应力施加件，所述应力施加件通过连杆固定设置于位移平台上，所述位移平台设置于作业平台上，且位移平台的高度和在作业平台上的位置可调。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述应力施加件为由不同半径、相同高度的圆柱体组成的共轴线阶梯状结构，所述阶梯数量大于薄膜的数量，每个薄膜对应一个阶梯，且各阶梯的中心与对应薄膜的中心高度保持一致。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述应力施加件顶端阶梯的半径与限位柱的半径相等，其余阶梯的半径由公式确定：
Figure BDA0003215425800000021
其中R表示应力施加件的某一阶梯半径，r表示限位柱的半径，Rmax表示阶梯最大半径，l表示两个限位柱之间薄膜施加应力之前的长度。
一种制备薄膜光栅的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、将预聚物和固化剂按照比例混合，搅拌均匀；
2)、将步骤1)混合好的液体在衬底上均匀涂抹一层，放在真空加热箱中固化，制备得到薄膜；
3)、将步骤2)制备好的薄膜放在薄膜夹具中夹持固定，根据薄膜光栅周期、振幅和薄膜应变的关系式确定薄膜需要的应变：
Figure BDA0003215425800000031
其中，ε表示薄膜需要发生的应变，p表示光栅周期，hf表示表示薄膜的厚度，E表示杨氏模量，v表示泊松比，下标f和s分别表示薄膜刚性层和基底层，A表示光栅振幅；
4)、使用应力施加件对薄膜施加应力，然后采用等离子技术处理，使薄膜表面形成一层刚性层，等待刚性层稳定后，缓慢释放应力，使薄膜恢复到施加应力前的平整状态，在薄膜上形成一种光栅状褶皱，制备得到薄膜光栅。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明的制备装置结构简单，易于实现，可以一次性将多根薄膜安装在有多个限位槽的薄膜夹具中，采用一个阶梯状应力施加件，实现同时制备多根不同周期和振幅的光栅。
本发明的应力施加件由表面光滑的圆柱体组成，圆柱体作用在薄膜上，使薄膜产生对称性的形变且不损伤薄膜。
本发明制备的光栅灵活性高、重复性好、操作简单、成本低，适用于大批量制备多周期和振幅薄膜光栅。
附图说明
图1是本发明制备装置的立体结构示意图；
图2是本发明制备装置的薄膜夹具的结构示意图；
图3是本发明应力施加件对薄膜施加应力时的示意图；
其中，1、薄膜夹具，1-1、底座，1-2、盖板，1-3、限位槽，2、L形支架，3、限位柱，4、薄膜，5、应力施加件，6、连杆，7、位移平台，8、作业平台。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
一种制备薄膜光栅的装置，如图1所示，包括设置于作业平台8上的夹持机构、限位柱3和应力施加机构。所述夹持机构包括夹持薄膜4两端的薄膜夹具1，如图2所示，所述薄膜夹具1包括采用航空铝材质的盖板1-2和采用钢铁材质的底座1-1，盖板1-2和底座1-1通过轴销装配在一起。所述盖板1-2背向薄膜4的一侧设置四个强力磁铁放置孔，每块磁铁磁力可以达到20N以上，满足夹持薄膜4的需求。所述底座1-1上设置多个限位槽1-3，保证薄膜4的位置固定，薄膜4在薄膜夹具1内不发生弯曲，保证各薄膜4之间相互平行，各限位槽之间的垂直距离与各薄膜4之间的间距相同。盖板1-2夹持后的薄膜4与盖板1-2和底座1-1夹持面之间紧密贴合，保证薄膜4不发生滑动。所述薄膜夹具1通过L形支架2固定设置于位移平台7上，所述位移平台7设置于作业平台8上，且位移平台7的高度和在作业平台8上的位置均可调，调节位移平台7使薄膜夹具1和薄膜4的位置相适应。
所述夹持机构之间固定设置两根限位柱3，限位柱3与薄膜4的一侧相切，限位柱3的高度能够让所有薄膜4与限位柱3相切。
所述薄膜4的另一侧、垂直于薄膜4的方向上设置应力施加机构，所述应力施加机构包括与薄膜4相对应的应力施加件5，所述应力施加件5为由不同半径、相同高度的圆柱体组成的共轴线阶梯状结构，各阶梯表面光滑，不损伤薄膜4，阶梯对薄膜4施加应力使薄膜4产生对称性形变，阶梯高度略大于薄膜4宽度。所述阶梯数量大于薄膜4的数量，每个薄膜4对应一个阶梯，且各阶梯中心与对应薄膜4中心高度保持一致。所述应力施加件5的顶端阶梯的半径与限位柱3的半径相等，其余阶梯的半径由公式确定：
Figure BDA0003215425800000041
其中R表示应力施加件5的某一阶梯半径，r表示限位柱3的半径，Rmax表示阶梯最大半径，根据所要制备的薄膜光栅的最大周期和振幅经过仿真软件计算得到，l表示两个限位柱3之间薄膜4施加应力之前的长度。
所述应力施加件5通过连杆6固定设置于位移平台7上，所述位移平台7设置于作业平台8上，且位移平台7的高度和在作业平台8上的位置可调，调节位移平台7使薄膜4和应力施加件5的位置相适应。
一种制备薄膜光栅的方法，所述方法用到的薄膜4采用现有技术制备，包括以下步骤：
1)、采用现有技术将需要的预聚物和固化剂按照比例混合，搅拌均匀，静置半个小时以上；
2)、将步骤1)混合好的液体分别在五根衬底上均匀涂抹一层，放在真空加热箱中固化，温度设置为80℃，加热两个小时，取出并冷却后，制备得到五根薄膜4；
3)、根据薄膜光栅周期、振幅和薄膜4应变的关系式确定薄膜4需要的应变：
Figure BDA0003215425800000051
其中，ε表示薄膜4需要发生的应变，p表示光栅周期，hf表示表示薄膜4厚度，E表示杨氏模量，v表示泊松比，下标f和s分别表示薄膜4刚性层和基底层，A表示光栅振幅；
应力施加件5的顶端阶梯的半径与限位柱3的半径相等，其余阶梯的半径由公式确定：
Figure BDA0003215425800000061
其中R表示应力施加件5的某一阶梯半径，r表示限位柱3的半径，Rmax表示阶梯最大半径，根据所要制备的薄膜光栅的最大周期和振幅经过仿真软件(如matlab)计算得到，l表示两个限位柱3之间薄膜4施加应力之前的长度。
根据薄膜光栅周期和振幅的需求确定应力施加件各阶梯的半径依次是7.53mm、7.60mm、7.665mm、7.73mm、7.91mm，以实现各薄膜的应变不同。
将步骤2)制备好的五根薄膜4两侧分别固定在薄膜夹具1的限位槽中，使薄膜4之间相互平行且垂直距离相等，薄膜4与薄膜夹具1保持平行，与限位柱3相切，调整应力施加件5使各阶梯和对应的薄膜4对准，各阶梯中心与对应薄膜中心高度保持一致，每个阶梯只对一个薄膜4施加应力。
4)、调节位移平台7使应力施加件5对薄膜4施加应力，如图3所示，当应力施加件5的顶端阶梯与施加应力前两限位柱3与薄膜4切点连线相切时，停止对薄膜4继续施加应力，然后采用等离子技术进行处理，采用等离子去胶机，射频功率设置为200W，处理时间20分钟，使薄膜4表面形成一层刚性层，等待刚性层稳定后，缓慢释放应力，使薄膜4恢复到施加应力前的平整状态，制备出不同周期(1.8um、1.9um、2.0um、2.1um、2.4um)和振幅(17.79um、18.28um、18.75um、19.21um、20.54um)的薄膜光栅。

Claims (6)

1.一种制备薄膜光栅的装置，其特征在于：包括夹持薄膜(4)两端的夹持机构，所述夹持机构之间固定设置两根限位柱(3)，且限位柱(3)与薄膜(4)的一侧相切，所述薄膜(4)的另一侧、垂直于薄膜(4)的方向上设置应力施加机构，所述夹持机构、限位柱(3)和应力施加机构均设置于作业平台(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种制备薄膜光栅的装置，其特征在于：所述夹持机构包括夹持薄膜(4)两端的薄膜夹具(1)，所述薄膜夹具(1)通过L形支架(2)固定设置于位移平台(7)上，所述位移平台(7)设置于作业平台(8)上，且位移平台(7)的高度和在作业平台(8)上的位置可调。
3.根据权利要求1所述的一种制备薄膜光栅的装置，其特征在于：所述应力施加机构包括与薄膜(4)相对应的应力施加件(5)，所述应力施加件(5)通过连杆(6)固定设置于位移平台(7)上，所述位移平台(7)设置于作业平台(8)上，且位移平台(7)的高度和在作业平台(8)上的位置可调。
4.根据权利要求3所述的一种制备薄膜光栅的装置，其特征在于：所述应力施加件(5)为由不同半径、相同高度的圆柱体组成的共轴线阶梯状结构，所述阶梯数量大于薄膜(4)的数量，每个薄膜(4)对应一个阶梯，且各阶梯的中心与对应薄膜(4)的中心高度保持一致。
5.根据权利要求4所述的一种制备薄膜光栅的装置，其特征在于：所述应力施加件(5)顶端阶梯的半径与限位柱(3)的半径相等，其余阶梯的半径由公式确定：
Figure FDA0003215425790000011
其中R表示应力施加件(5)的某一阶梯半径，r表示限位柱(3)的半径，Rmax表示阶梯最大半径，l表示两个限位柱(3)之间薄膜(4)施加应力之前的长度。
6.一种利用权利要求1-5所述的制备薄膜光栅的装置制备薄膜光栅的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、将预聚物和固化剂按照比例混合，搅拌均匀；
2)、将步骤1)混合好的液体在衬底上均匀涂抹一层，放在真空加热箱中固化，制备得到薄膜(4)；
3)、将步骤2)制备好的薄膜(4)放在薄膜夹具(1)中夹持固定，根据薄膜光栅周期、振幅和薄膜(4)应变的关系式确定薄膜(4)需要的应变：
Figure FDA0003215425790000021
其中，ε表示薄膜(4)需要发生的应变，p表示光栅周期，hf表示表示薄膜(4)的厚度，E表示杨氏模量，v表示泊松比，下标f和s分别表示薄膜(4)刚性层和基底层，A表示光栅振幅；
4)、使用应力施加件(5)对薄膜(4)施加应力，然后采用等离子技术处理，使薄膜(4)表面形成一层刚性层，等待刚性层稳定后，缓慢释放应力，使薄膜(4)恢复到施加应力前的平整状态，在薄膜(4)上形成一种光栅状褶皱，制备得到薄膜光栅。
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