基於拉伸PDMS光柵調控光柵周期變化率的方法與流程

2023-12-06 05:53:01 1

本發明涉及一種變周期光柵製作技術，特別涉及一種基於拉伸PDMS光柵調控光柵周期變化率的方法。

背景技術：

光柵作為一種非常重要的分光元件，被廣泛應用於集成光路、光通信、光信息處理、光學測量等領域中。變周期光柵的柵距按照一定的規律變化，具有自聚焦、像差矯正、高解析度、平焦場等一些特殊性能，在雷射受控核聚變裝置、同步輻射應用、太空探測器、航空航天飛行器等尖端科技中有著重要而廣泛的應用。

PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷，通常被稱為有機矽）是一種高分子有機矽化合物，具有很好的彈性、光學特性、低的玻璃化溫度、低表面能、高透氣性、極佳的絕緣性、化學穩定性和熱穩定性。其在液態時為一種粘稠液體，稱做矽油，是一種具有不同聚合度鏈狀結構的有機矽氧烷混合物；在固態時為一種矽膠，無毒、疏水性的惰性物質，且為非易燃性、透明彈性體。實驗室中通常用主劑與固化劑以一定比例混合均勻後，利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面至破裂，再在一定溫度下烘烤一定時間後使其固化，主劑和固化劑的比例、加熱溫度、加熱時間等參數的不同將會製作出不同硬度的PDMS。

變周期光柵的製作方法主要有機械刻劃和全息光刻兩種。機械刻劃適合於在金屬表面製作具有閃耀結構的變周期光柵，由於光柵間距的變化規律是由計算機控制產生的，因此不受製作全息光柵中的光路限制，缺點是受刀具的限制，光柵間距不是連續變化，而是由小段等間距光柵拼接而成，且製作效率低，有鬼線，雜散光比較多；全息光刻製作變周期光柵的優點是光柵周期連續變化（由光路幹涉而成）且製作效率較高，適合於製作大口徑、高線密度的變周期光柵。但全息光刻法製作的光柵間距的變化規律受幹涉光路的限制，有時不能獲得實際所需的某些變化規律，比如光柵間距為線性變化的光柵。

技術實現要素：

本發明是針對現有的變周期光柵的製作工藝複雜，耗時長，可控性不高，製作成本高的問題，提出了一種基於拉伸PDMS光柵調控光柵周期變化率的方法，工藝簡單，可控性高，製作成本低，製作周期短。

本發明的技術方案為：一種基於拉伸PDMS光柵調控光柵周期變化率的方法，具體步驟如下：

1）製作基於PDMS的變周期光柵：

A: 用光刻或機械刻化製作母模版光柵；

B: 將步驟A製作的母模版光柵上的光柵圖案轉移到PDMS薄膜上,

具體步驟：a、將預聚物和固化劑按照20：1的體積配比，將混合好的PDMS液體放在真空乾燥箱中，保持抽真空狀態直至液體中無氣泡為止；b、將抽好真空的PDMS液體倒在光柵模板表面，並在100℃下加熱固化1小時，然後冷卻；c、將PDMS薄膜從光柵模板上剝離下來，按照具有不同底角的等腰梯形形狀切割出不同塊的PDMS薄膜備用；

2）對製作後基於PDMS的變周期光柵進行拉伸：將步驟1）製作後PDMS薄膜平整在夾持在一維平移拉伸臺上，薄膜一端固定，另一端夾持在可移動平臺上，沿著垂直於光柵柵線的方向在PDMS彈性範圍內拉伸一定的長度；

3）對拉伸後基於PDMS的變周期光柵進行檢測：檢測拉伸後的PDMS薄膜的線密度，在薄膜中間區域內，光柵線密度的分布呈線性變化；

4）調節步驟2）等腰梯形PDMS薄膜的底角，再進行步驟3）的檢測，得到不同的呈線性變化的光柵線密度的分布。

本發明的有益效果在於：本發明基於PDMS的變周期光柵製作方法，工藝流程簡單，製作成本低且有較高的可控性。

附圖說明

圖1-1為本發明方法製作的矩形結構光柵上拉伸總型變量圖；

圖1-2為本發明方法製作的矩形結構光柵上拉伸等效應變圖；

圖1-3為本發明方法製作的矩形結構光柵上拉伸等效應力圖；

圖2-1為本發明方法製作的梯形結構光柵上拉伸總型變量圖；

圖2-2為本發明方法製作的梯形結構光柵上拉伸等效應變圖；

圖2-3為本發明方法製作的梯形結構光柵上拉伸等效應力圖；

圖3為本發明不同底角梯形結構光柵上拉伸載荷相同時的光柵周期分布。

具體實施方式

基於拉伸PDMS光柵調控光柵周期變化率的方法，步驟如下：

1、製作基於PDMS的變周期光柵：

1）用光刻或機械刻化製作母模版光柵；

2）將上步驟中製作的母模版光柵上的光柵圖案轉移到PDMS薄膜上。具體是：a、將預聚物和固化劑按照20：1的體積配比，將混合好的PDMS液體放在真空乾燥箱中，保持抽真空狀態直至液體中無氣泡為止；b、將抽好真空的PDMS液體倒在光柵模板表面，並在100℃下加熱固化1小時，然後冷卻；c、將PDMS薄膜從光柵模板上剝離下來，按照具有不同底邊角度的梯形或者矩形形狀切割出不同塊的PDMS薄膜備用；

2、對製作後基於PDMS的變周期光柵進行拉伸：

將步驟1製作後PDMS薄膜平整在夾持在一維平移拉伸臺上，薄膜一端固定，另一端夾持在可移動平臺上，沿著垂直於光柵柵線的方向在PDMS彈性範圍內拉伸一定的長度；

3、對拉伸後基於PDMS的變周期光柵進行檢測：檢測拉伸後的PDMS薄膜的線密度，由於在拉伸方向上不同位置處薄膜的寬度不同，使得受到的拉力不同、薄膜的形變不同，因而不同位置處的光柵周期不同。在薄膜中間區域內，由於受到的拉力基本相同，光柵周期的變化主要取決於薄膜的寬度，因此在這個範圍內光柵線密度的分布呈線性變化。

以上步驟通過線密度的檢測反應出我們通過拉伸複製光柵的PDMS薄膜而得到變周期的光柵，且光柵的周期分布受梯形薄膜側邊的影響呈線性變化分布。

利用ANSYS有限元分析軟體來模擬仿真，特定形狀的PDMS材料上製作出的光柵，在受力拉伸的情況下，光柵周期隨著材料受力不同而產生的不均勻變化，從而得到了變周期光柵的結構：

在矩形結構的PDMS上製作光柵，在形變範圍內拉伸：由ANSYS有限元分析結果可知，如圖1-1在矩形結構上拉伸總型變量圖，不同位置處形變量不同，形變量的改變影響光柵的周期，從1-2等效應變圖、1-3等效應力圖可知，在矩形結構的中間區域內的等效應變是均勻的，即是在改區域內的光柵周期變化是一直的。

圖2在梯形結構上拉伸，如圖2-1總型變量圖，在梯形高的方向上形變量變化，從2-2等效應變圖、2-3等效應力圖可知，梯形結構上的等效應變在梯形高的方向上均勻變化，且變化受梯形側邊的斜率影響，改變梯形側邊的斜率即可在拉伸狀態下得到不同的變周期光柵結構。

如圖3為本發明不同底角梯形結構光柵上拉伸載荷相同時的光柵周期分布。圖右上角為底角角度，由圖可看出不同底角的梯形結構光柵拉伸，對光柵周期的調控不同，其變化規律與梯形底角相關，底角越小，變化得越快。