電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法與流程

本發明涉及微納制造技術領域，特別是涉及一種電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法。

背景技術：

光柵即衍射光柵，是利用衍射原理使光發生色散的光學元件，作為光學系統的核心部件被廣泛應用于光譜儀器、精密計量、光通信、顯示技術、激光調諧技術等領域傳統的衍射光柵是通過機械刻劃、全息光刻、干法刻蝕等微制造工藝，在金屬、金屬介質膜及石英等硬質襯底材料上制作，一旦完成制造，由于材料的限制，其線紋結構參數無法隨工程應用的實際需要而改變，實現光柵的物理特性修正，極大的限制了光柵的應用。

因此，線紋結構能夠按使用需求進行控制的可調制光柵的研制，一直是學界與產業界的追求目標，對于提高光柵的光學性能品質、擴展光柵應用具有顯著的科學意義和實用價值。

新加坡南洋理工大學的a.q.liu利用微流控技術將兩種不混溶的不同折射率液體，形成周期性的液體分布，實現了用于光通訊的可調制長周期光柵(long-periodgrating-lpg)，盡管柵距較大(幾百微米量級)，也開拓了將液態材料應用于可調制光柵的新思路。

技術實現要素：

本發明主要解決的技術問題是提供一種電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法，

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法，包括以下步驟：

（1）誘導模板和基材的制備：在基底上形成帶有第一周期性柵狀凸起結構的誘導模板與帶有第二周期性柵狀凸起結構的基材；

（2）基材的處理：首先用低溫等離子體技術處理基材表面，使其有利于粘結和涂覆，然后在基底上涂布一層熱塑性聚合物薄膜，形成聚合物薄膜層，接著將具有高延展性的一層石墨烯轉移到聚合物薄膜層上，形成過渡材料層，最后加熱基材，在石墨烯過渡材料層上涂布一層液態金屬，形成液態金屬層，熱塑性聚合物的玻璃態溫度高于液態金屬的熔點；

（3）誘導模板和基材相對位置的調整：外加位置調整裝置，使誘導模板和基材保持相對平行并有一定間隙，根據光柵柵齒的形貌要求調整誘導模板和基材的相對位置；

（4）電場誘導可調制液態光柵的成型：加熱基材，使熱塑性聚合物處于液態，外加直流電源，在經過調制過程后，降溫至熱塑性聚合物玻璃態溫度以下，保持在液態金屬的熔點以上，液態光柵結構得以定型，最后移除誘導模板。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（1）中的基底為低熱膨脹硬質材料基底或零膨脹硬質材料基底；采用光刻或納米壓印的方法形成帶有第一周期性柵狀凸起結構的誘導模板與帶有第二周期性柵狀凸起結構的基材。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（1）中的第一周期性柵狀凸起結構與第二周期性柵狀凸起結構相同，凸起結構都具有導電性，且凸起結構分別與選址開關相連，第一周期性柵狀凸起結構與第二周期性柵狀凸起結構中的凸起結構厚度均為190-210nm。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中采用加熱后壓印的方法在基底上涂布一層熱塑性聚合物薄膜，形成聚合物薄膜層。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中用逆輥壓印或平板轉印技術將具有高延展性的一層石墨烯轉移到聚合物薄膜層上，形成過渡材料層，最后加熱基材，利用旋轉涂膠工藝在石墨烯過渡材料層上涂布一層液態金屬，形成液態金屬層。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中的石墨烯過渡材料層的厚度為30-50nm，聚合物薄膜層的厚度為1-500μm。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中的液態金屬為鎵系金屬或錫銦合金，液態金屬的熔點低于50℃，液態金屬層的厚度為30-200nm。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中加熱基材時的溫度在液態金屬熔點以上，在熱塑性聚合物玻璃態溫度之下。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（4）中所進行的調制過程為：首先將電源負極通過選址開關與基材上的第二周期性柵狀凸起結構相連，將電源正極通過選址開關與誘導模板上的第一周期性柵狀凸起結構相連，然后根據光柵的柵距要求，通過調制選址開關來控制第一周期性柵狀凸起結構與第二周期性柵狀凸起結構是否帶電，接著保持穩定的電壓，直到光柵結構成型。

本發明的有益效果是：本發明所制造的液態光柵具有以下明顯優勢：(a)能夠根據需要實時調控光柵的參數，且調制范圍大；(b)液面處漸變分布的折射率有效減小了光的散射影響；(c)與傳統固態光柵表面粗糙度相比，液態光柵因流動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誤差，能夠有效提高光柵的衍射效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1至圖4分別是本發明電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法的步驟一至步驟四示意圖；

圖中：1、誘導模板，2、基材，3、第一周期性柵狀凸起結構，4、第二周期性柵狀凸起結構，5、選址開關，6、pmma聚合物薄膜層，7、過渡材料層，8、液態金屬層，9、位置調整裝置。

具體實施方式

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1至圖4，實施例中選址開關5是商品化的板卡式多路可控繼電器陣列，而實際中可以利用集成電路相關工藝自行設計制造。

實施例1

一種電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法，包括如下步驟：

（1）誘導模板和基材的制備：

如圖1，選用零膨脹的殷鋼作為誘導模板1和基材2的材料，在誘導模板1和基材2的表面濺射一層厚度為200nm的鉻層，用納米壓印和反應離子刻蝕的方法在誘導模板1與基材2上形成具有相同形貌的第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4，第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4的寬度均為10μm，厚度均為200nm，第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4通過焊接工藝，經接插件、排線與選址開關5相連，選址開關5是板卡式的多路可控繼電器陣列，可通過labview軟件編程控制；

（2）基材的處理：

如圖2，首先用低溫等離子體技術處理基材2表面，使其有利于粘結和涂覆，然后用加熱后平板壓印的方法涂布一層pmma聚合物薄膜層6，pmma聚合物薄膜層6的厚度100μm，接著用逆輥壓印技術將具有高延展性的一層石墨烯轉移到pmma聚合物薄膜層6上，形成過渡材料層7，厚度30nm，最后加熱基材，pmma聚合物的玻璃態溫度高于液態金屬的熔點，加熱溫度在液態金屬熔點以上，在pmma聚合物玻璃態溫度之下，利用旋轉涂膠工藝在石墨烯過渡材料層上涂布一層錫銦合金液態金屬，形成液態金屬層8，厚度30nm；

（3）誘導模板和基材相對位置的調整：

如圖3，外加位置調整裝置9，使誘導模板1和基材2保持相對平行并有2.0mm的間隙，根據光柵柵齒的形貌要求調整誘導模板和基材的相對位置；

（4）電場誘導可調制液態光柵的成型：

如圖4，加熱基材2，使pmma聚合物處于液態，外加直流電源，電壓范圍為1-300v，將電源負極通過選址開關5與基材2上的第二周期性柵狀凸起結構4相連，將電源正極通過選址開關5與誘導模板1上的第一周期性柵狀凸起結構3相連，然后根據光柵的占空比和周期要求，通過調制選址開關5的開閉使第一周期性柵狀凸起結構3為每隔一個帶電，通過調制選址開關5的開閉使第二周期性柵狀凸起結構4為每隔一個帶電，接著保持穩定的電壓5-60分鐘，直到光柵結構成型，降溫至pmma玻璃態溫度以下，在錫銦合金的熔點以上，液態光柵結構得以定型，最后移除誘導模板。

實施例2

一種電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法，包括如下步驟：

（1）誘導模板和基材的制備：

如圖1，選用零膨脹的殷鋼作為誘導模板1和基材2的材料，在誘導模板1和基材2的表面濺射一層厚度為190nm的鉻層，用納米壓印和反應離子刻蝕的方法在誘導模板1與基材2上形成相同具有相同形貌的第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4，第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4的寬度均為10μm，厚度均為190nm，第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4通過焊接工藝，經接插件、排線與選址開關5相連，選址開關5是板卡式的多路可控繼電器陣列，可通過labview軟件編程控制；

（2）基材的處理：

如圖2，首先用低溫等離子體技術處理基材2表面，使其有利于粘結和涂覆，然后用加熱后平板壓印的方法涂布一層pmma聚合物薄膜層6，pmma聚合物薄膜層6的厚度300μm，接著用平板轉印技術將具有高延展性的一層石墨烯轉移到pmma聚合物薄膜層6上，形成過渡材料層7，厚度40nm，最后加熱基材，pmma聚合物的玻璃態溫度高于液態金屬的熔點，加熱溫度在液態金屬熔點以上，在pmma聚合物玻璃態溫度之下，利用旋轉涂膠工藝在石墨烯過渡材料層上涂布一層錫銦合金液態金屬，形成液態金屬層8，厚度120nm；

（3）誘導模板和基材相對位置的調整：

如圖3，外加位置調整裝置9，使誘導模板1和基材2保持相對平行并有1.5mm的間隙，根據光柵柵齒的形貌要求調整誘導模板和基材的相對位置；

（4）電場誘導可調制液態光柵的成型：

如圖4，加熱基材2，使pmma聚合物處于液態，外加直流電源，電壓范圍為1-300v，將電源負極通過選址開關5與基材2上的第二周期性柵狀凸起結構4相連，將電源正極通過選址開關5與誘導模板1上的第一周期性柵狀凸起結構3相連，然后根據光柵的占空比和周期要求，通過調制選址開關5的開閉使第一周期性柵狀凸起結構3為每隔一個帶電，通過調制選址開關5的開閉使第二周期性柵狀凸起結構4為每隔一個帶電，接著保持穩定的電壓5-60分鐘，直到光柵結構成型，降溫至pmma玻璃態溫度以下，在錫銦合金的熔點以上，液態光柵結構得以定型，最后移除誘導模板。

實施例3

一種電場誘導成型可調制液態光柵的制造方法，包括如下步驟：

（1）誘導模板和基材的制備：

如圖1，選用零膨脹的殷鋼作為誘導模板1和基材2的材料，在誘導模板1和基材2的表面濺射一層厚度為210nm的鉻層，用納米壓印和反應離子刻蝕的方法在誘導模板1與基材2上形成相同具有相同形貌的第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4，第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4的寬度均為10μm，厚度均為210nm，第一周期性柵狀凸起結構3和第二周期性柵狀凸起結構4通過焊接工藝，經接插件、排線與選址開關5相連，選址開關5是板卡式的多路可控繼電器陣列，可通過labview軟件編程控制；

（2）基材的處理：

如圖2，首先用低溫等離子體技術處理基材2表面，使其有利于粘結和涂覆，然后用加熱后平板壓印的方法涂布一層pmma聚合物薄膜層6，pmma聚合物薄膜層6的厚度500μm，接著用逆輥壓印技術將具有高延展性的一層石墨烯轉移到pmma聚合物薄膜層6上，形成過渡材料層7，厚度50nm，最后加熱基材，pmma聚合物的玻璃態溫度高于液態金屬的熔點，加熱溫度在液態金屬熔點以上，在pmma聚合物玻璃態溫度之下，利用旋轉涂膠工藝在石墨烯過渡材料層上涂布一層錫銦合金液態金屬，形成液態金屬層8，厚度200nm；

（3）誘導模板和基材相對位置的調整：

如圖3，外加位置調整裝置9，使誘導模板1和基材2保持相對平行并有2.5mm的間隙，根據光柵柵齒的形貌要求調整誘導模板和基材的相對位置；

（4）電場誘導可調制液態光柵的成型：

如圖4，加熱基材2，使pmma聚合物處于液態，外加直流電源，電壓范圍為1-300v，將電源負極通過選址開關5與基材2上的第二周期性柵狀凸起結構4相連，將電源正極通過選址開關5與誘導模板1上的第一周期性柵狀凸起結構3相連，然后根據光柵的占空比和周期要求，通過調制選址開關5的開閉使第一周期性柵狀凸起結構3為每隔一個帶電，通過調制選址開關5的開閉使第二周期性柵狀凸起結構4為每隔一個帶電，接著保持穩定的電壓5-60分鐘，直到光柵結構成型，降溫至pmma玻璃態溫度以下，在錫銦合金的熔點以上，液態光柵結構得以定型，最后移除誘導模板。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。