完全內反射可控抑止的方法和設備的製作方法

2023-07-26 08:34:11

專利名稱：完全內反射可控抑止的方法和設備的製作方法
本申請涉及一種用於以連續可變、易於可控的方式抑止完全內反射現象的方法和設備。
眾所周知的是，光線在不同材料中以不同速度行進。速度的改變導致折射。兩種材料之間的相對摺射指數由入射光線速度除以折射光線速度而給出。如果相對摺射指數小於1，則光線將朝向表面折射，比如光線從一塊玻璃板出射而進入空氣。在一特定的入射角「i」的情況下，折射角「r」由於光線沿著板的表面運行而變成90°。由於sin i＝相對摺射指數，臨界角度「i」是可以得出的。如果使「i」更大一些，則所有光線都反射回來到玻璃板裡面而無一逸出玻璃板。這稱作完全內反射。由於只當光線改變速度時才出現折射，或許不致驚異的是，入射的射線在被完全內反射之前稍有出射，而因此出現稍微透入(粗略地說1微米)界面的現象，稱作「耗損波透入」。通過幹涉(亦即散射和/或吸收)耗損波，人們可以防止(亦即「抑止」)完全內反射現象。
在許多應用場合下，希望可控地抑止完全內反射現象。比如，如果完全內反射將要正出現在一界面「I」處，如

圖1A中所示，反射程度可以通過靠近界面I放置一介電材料以致電介質D與透過界面I之外的耗損波相互作用而予以降低，如圖1B、1C和1D中所示，其中完全內反射的抑止程度是逐漸加大的，終結於完全抑止(圖1D)。
電介質D最好是一種彈性材料。不可避免地，至少某些異物顆粒「P」(圖2A)會被捕集在電介質D與界面I之間；以及/或者，電介質D與界面I的兩對置表面具有至少某些尺寸上的缺陷「X」(圖2B)，防礙在兩個表面的基本的對置面積上達到表面的高度平整。這些異物顆粒，或這種表面缺陷，或者二者，可以防礙達到電介質D與界面I之間的「光學接觸」。光學接觸使得電介質D比一微米更為接近於界面I，藉以散射和/或吸收鄰近界面I的耗損波，從而防止界面I能夠完全內反射入射光線。如果電介質D由彈性材料製成，這些異物顆粒和/或各種表面缺陷的前述不良效應均被局部化了，從而基本上消除了它們對於達到所需光學接觸的影響。更為具體地說，如圖2C和2D中可見，電介質D的彈性性質使得電介質D本身可能緊密地貼合在異物顆粒P周圍和表面缺陷X周圍，以致，除了非常靠近異物顆粒P和表面缺陷X周圍的各點處，在電介質D與界面I之間達到光學接觸。由於這些點一般地只包括電介質D和界面I的很小一部分對置表面面積，所以，可達到相當充分的光學接觸以便於抑止如上所述的完全內反射。
不過，如果一種彈性材料與一表面形成光學接觸，此種彈性材料趨向於粘於該表面並難以分開二者。這是因為，各彈性材料充分柔軟，以致材料可變形而與存在於任何表面處的原子規模結構形成密切的原子接觸；以及因為，最終的範德瓦爾斯(Van der Waals)結合力具有充分的附著作用，以致難以把材料從表面除掉。這些因素使之難以使用彈性材料來抑止完全內反射現象；而且，它們使之特別難以使用彈性材料來控制或改變完全內反射程度。理想的是，可以通過改變施加在電介質D與界面I之間的界面壓力來控制完全內反射的抑止程度；以及，總的來說，理想的是以可能最小的壓力值來獲得這種控制。前面提及的範德瓦爾斯結合可能需要量級為104帕的負壓用於分離，最好是減小一些。本發明致力於以上考慮。
本發明有助於在兩種狀態之間可控地變換一個界面一個是反射狀態，其中入射到此界面上的光線發生完全內反射，另一個是非反射狀態，其中完全內反射在界面處受到防止。這一點是依靠提供一種具有一可相對於界面變形的構件的設備而達到的。此構件在靠近界面的構件各部分中的楊氏模量顯著地大於遠離界面的構件各部分中的楊氏模量。更為具體地說，E＞a/d，其中E是在鄰近界面的構件各部分處的楊氏模量，a是由界面與構件之間範德瓦爾斯力造成的每單位面積的結合能量，以及d是界面粗糙度的某一尺寸特徵量。最好是，在鄰近界面的構件各部分處構件的楊氏模量大於大約106帕。
有利的是，構件是一彈性件(最好是矽彈性體)，雖然構件是一彈性體並非是不可或缺的；介電材料是一種具有合理彈性的物質，諸如特氟隆TM，就足夠了。鄰近界面的構件各部分可以狀為在此彈性體的一表面上的一微型結構。可以設置諸如耦聯於一電壓源的一對電極的裝置，以便可控地使構件變形而與界面形成處在光學接觸值的一連續可變的範圍之內的光學接觸，造成非反射狀態。
本發明還提供一種方法，加強一構件(一般為彈性體)某一選定表面部分，藉此，選定部分中構件的楊氏模量相對於不是選定部分的構件各部分中的楊氏模量顯著增大，此方法包括用紫外光照射選定部分。有利的是，照射步驟是在有氧存在的情況下實行的。
另一種方法是，施用一種具有預先選定剛度的非粘接聚合物塗層於微型結構化的薄膜，再施用彈性體於經過聚合物塗敷的微型結構化的薄膜，而後溶解這一薄膜，留下加強的微型結構粘接於彈性體。
圖1A、1B、1C和1D表明隨著電介質D逐漸被移向界面I抑止在界面I處的完全內反射現象的不同階段。
圖2A和2B分別畫出妨礙在界面I與電介質D之間達到光學接觸的一異物顆粒P和一表面缺陷X，圖2C和2D分別畫出，如果電介質D是一種彈性材料，則雖然有異物顆粒P或表面缺陷X，界面I與電介質之間基本上達到光學接觸。
圖3A畫出按照本發明一項實施例置放在一界面附近的一剛硬表面的彈性電介質。圖3B畫出按照本發明另一實施例置放在一界面附近的一剛硬表面的微型結構化的彈性電介質。圖3C類似於圖3B並表明一對用於可控地使微型化結構化的彈性電介質朝向鄰近界面變形的電極。
圖4是一條圖線，上面畫出作為施加於圖3的彈性電介質與界面之間壓力的函數的百分反射率。
圖3A畫出置放在界面12附近的一彈性電介質10。入射到界面12上的光線14受到完全內反射，因為電介質10與界面12的對置兩表面之間的氣隙16大得足以妨礙對置兩表面之間的光學接觸(亦即氣隙16顯著大於1微米)。如此後所要說明的那樣，電介質D的楊氏模量E作為離開界面附近電介質10表面的距離的函數而變化，以致電介質10靠近表面的部分18比電介質10的其餘各部分要顯著的剛硬。
電介質10的加強表面部分18可妨礙達到前面提及的電介質10與界面12之間的範德瓦爾斯結合，由於這種結合只在電介質10可充分變形時才會出現。粗略地說，一種材料的楊氏模量(材料剛性的度量)必須小於單位面積的範德瓦爾斯結合能量除以與材料表面粗糙度相關的特徵尺寸，以便產生基本上的原子接觸。對於一些充分光滑而表現出其時粗糙度的特徵尺寸顯著地小於1微米的完全內反射的表面，將會出現粘著，如果楊氏模量小於大約106帕的話，而彈性材料就是這種情況。因此，通過增大電介質10表面處的彈性電介質的楊氏模量。人們可以充分地強化該表面以防止粘著。
前面提及的表面強化應當是，致使電介質10的表面能夠有助於獲得一種可預計的、可重生的完全內反射抑止程度，後者作為施加於電介質10與界面12之間壓力的函數而變化。最好是，在正的低界面壓力下，完全內反射極少抑止，而氣隙16維持稍微超出1微米的一個明確確定的平均值。這一點是很重要的，特別是，如果由於這些狹窄氣隙因「帕申(Paschen)效應」而可以支承很大的一些電場，而且這些電場可以因間隙很小而以相當低的電壓產生出來，界面壓力要由靜電力造成的話。
一種在彈性電介質10中造成所需的表面特徵的方法是，製備一種均勻、表面光滑的彈性材料，而後以一種可強化和/或結構此材料的一很薄的表面部分的方式來處理該材料。一種合乎要求的技術是，用紫外光照射一種矽彈性體。雖然不想拘泥於任何理論，但發明者還要指出，這種照射一般是在無氧存在的情況下進行的，所以可能是，紫外光與最終的臭氧相結合是很重要的。這種效應可能是增大了彈性體經過處理的表面附近各聚合物鏈的交叉聯接，增大了此區域之中的楊氏模量。不過，所涉及的各效應的精確本質屬未確定。
另一種方法是，單獨地施加一薄層強化材料於一種彈性材料的表面。更為具體地說，用一種具有預先選定的剛度的、薄薄的不粘著聚合物塗敷成一犧牲性微型結構化的薄膜。做成這樣一種塗層的方式是，旋轉澆鑄液態聚甲基丙烯酸甲酯(「PMMA」)，然後聚合化以生成一次微米的厚厚的塗層；而另一種方式是，把聚對苯二甲基真空沉澱在此薄膜上。彈性體然後以PMMA為底予以澆鑄。犧牲性薄膜然後由一種不會侵襲塗層或彈性體的溶劑予以溶解，留下微型結構化的表面附著於彈性材料的。圖3B畫出這樣一種結合於彈性電介質10的經過強化的微型結構化的表面20。
圖3B結構的另一良好性質是，壓力的逐漸增大將形成完全內反射的逐漸抑止。這一點圖示在圖3C之中，它畫出一粘合在強化的微型結構化的表面20與其餘的電介質10撓性部分之間的第一電極22；以及，一粘合於界面12的第二電極24。一電壓源「v」以電氣方式耦聯於電極22、24之間。通過適當地改變施加於電極22、24之間的電壓，可以使電介質10及其強化的微型結構化的表面20在一個光學接觸值連續變化的範圍之內朝向界面12變形，藉以達到任何所需程度的對於界面12完全內反射入射光線的能力的抑止。圖4圖示了反射率的最終範圍。
由於上面的闡述，對於本技術領域中熟練人員將會顯而易見的是，在實施本發明中可有許多變更和改動而不偏離其精神或範疇。比如，雖然電介質10最好是一種矽彈性體，但它並不一定需要是一種「彈性體」；介電材料是一種具有合理撓性的物質，諸如特氟隆TM，就足夠了。因此，本發明的範疇應當按照由以下各項權利要求確定的內容來予以認識。
權利要求
1.一種設備，用於在兩種狀態之間可控地變換一個界面(12)一種反射狀態，其中入射到所述介面上的光線(14)經受完全內反射；一種非反射狀態，其中所述完全內反射在所述界面處受到防止，所述設備的特徵在於一種可相對於所述界面變形的構件(10)，所述構件在鄰近所述界面的所述構件各部分(18)中的楊氏模量顯著地大於所述構件在遠離所述界面的所述構件各部分中的楊氏模量。
2.按照權利要求1所述的設備，其中E＞a/d，其中E是所述構件在鄰近所述界面的所述構件各部分中的楊氏模量，a是由所述界面與所述構件之間範德瓦爾斯力造成的每單位面積的結合能量，以及d是所述界面粗糙度的某一尺寸特徵量。
3.按照權利要求1所述的設備，其中所述構件在鄰近所述界面的所述構件各部分處的楊氏模量大於大約106帕。
4.按照權利要求1所述的設備，其中所述構件是一彈性體。
5.按照權利要求1所述的設備，其中所述構件是一矽彈性體。
6.按照權利要求4所述的設備，其中鄰近所述界面的所述構件的所述各部分還包括一在所述彈性體一表面上的微型結構(20)。
7.按照權利要求4所述的設備，還包括用於使所述彈性體變形成為與所述界面光學接觸以生成所述非反射狀態的裝置。
8.按照權利要求7所述的設備，其中所述變形裝置使所述彈性體變形而在所述彈性體與所述界面之間留有一分隔距離，其顯著地小於0.5微並顯著地大於10-4微米。
9.按照權利要求7所述的設備，還包括控制裝置(22，24)，用於控制所述彈性體在一光學接觸值連續變化的範圍之內變形。
10.一種方法，強化一構件的一選定的表面部分，從而在所述選定部分中的所述構件的楊氏模量相對於所述選定部分之外的所述構件各部分中的所述構件的楊氏模量顯著地增大，所述方法的特徵在於，以紫外光線照射所述選定的部分。
11.按照權利要求10所述的一種方法，還包括在所述選定部分處有氧存在的情況實現所述照射步驟。
12.按照權利要求10所述的一種方法，其中所述構件是一彈性體。
13.按照權利要求10所述的一種方法，其中所述構件是一矽彈性體。
14.一種方法，強化一構件的一選定的表面部分，所述方法的特徵在於以下各步驟(a)施用一具有預先選定的剛度的、非粘接性聚合物塗層於一微型結構化薄膜；(b)施加所述構件於所述聚合物塗敷的薄膜；以及(c)溶解所述薄膜，留下所述強化的微型結構附著於所述構件。
15.按照權利要求14所述的一種方法，其中所述塗敷步驟還包括旋轉澆鑄液態聚甲基丙烯酸甲脂到所述微型結構化的薄膜上。
16.按照權利要求14所述的一種方法，其中所述塗敷步驟還包括真空沉澱聚對苯二甲基到所述微型結構化的薄膜上。
17.按照權利要求14所述的一種方法，其中所述溶解步驟還包括施用於所述構件和所述聚合塗敷的薄膜一種溶劑，溶解所述薄膜而不有損所述構件或所述微型結構。
18.按照權利要求14所述的一種方法，其中所述構件是一彈性體。
19.按照權利要求14所述的設備，其中所述構件是一矽彈性體。
全文摘要
一種方法和設備,以便於在兩種狀態之間可控地變換一個界面(12):一種反射狀態,其中入射到此界面上的光線(14)經受完全內反射,與一種非反射狀態,其中完全內反射在界面處受到防止。此設備裝有一可相對於界面變形的構件(10－最好是一彈性體)。構件在靠近界面的所述構件各部分(18)中的楊氏模量顯著地大於(亦即,強硬於)構件在遠離界面的構件各部分中的楊氏模量。靠近界面的強化部分可以狀為一微型結構(20),耦聯於一電壓源的一對電極(22,24),可以設置得在光學接觸值的一連續可變的範圍之內可控地使構件變形成為與界面光學接觸,以生成處在可選擇的不同程度上的非反射狀態。
文檔編號G02B26/08GK1269891SQ98808874
公開日2000年10月11日 申請日期1998年5月8日 優先權日1997年9月4日
發明者洛恩·A·懷特黑德 申請人:英屬哥倫比亞大學