本發(fā)明涉及微納制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法。

背景技術(shù)：

光柵即衍射光柵，是利用衍射原理使光發(fā)生色散的光學(xué)元件，作為光學(xué)系統(tǒng)的核心部件被廣泛應(yīng)用于光譜儀器、精密計(jì)量、光通信、顯示技術(shù)、激光調(diào)諧技術(shù)等領(lǐng)域傳統(tǒng)的衍射光柵是通過(guò)機(jī)械刻劃、全息光刻、干法刻蝕等微制造工藝，在金屬、金屬介質(zhì)膜及石英等硬質(zhì)襯底材料上制作，一旦完成制造，由于材料的限制，其線紋結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)法隨工程應(yīng)用的實(shí)際需要而改變，實(shí)現(xiàn)光柵的物理特性修正，極大的限制了光柵的應(yīng)用。

因此，線紋結(jié)構(gòu)能夠按使用需求進(jìn)行控制的可調(diào)制光柵的研制，一直是學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的追求目標(biāo)，對(duì)于提高光柵的光學(xué)性能品質(zhì)、擴(kuò)展光柵應(yīng)用具有顯著的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

新加坡南洋理工大學(xué)的a.q.liu利用微流控技術(shù)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(shí)現(xiàn)了用于光通訊的可調(diào)制長(zhǎng)周期光柵(long-periodgrating-lpg)，盡管柵距較大(幾百微米量級(jí))，也開拓了將液態(tài)材料應(yīng)用于可調(diào)制光柵的新思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法，

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法，包括以下步驟：

（1）誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)模板與帶有第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)的基材；

（2）基材的處理：首先用低溫等離子體技術(shù)處理基材表面，使其有利于粘結(jié)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(zhuǎn)移到聚合物薄膜層上，形成過(guò)渡材料層，最后加熱基材，在石墨烯過(guò)渡材料層上涂布一層液態(tài)金屬，形成液態(tài)金屬層，熱塑性聚合物的玻璃態(tài)溫度高于液態(tài)金屬的熔點(diǎn)；

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

（4）電場(chǎng)誘導(dǎo)可調(diào)制液態(tài)光柵的成型：加熱基材，使熱塑性聚合物處于液態(tài)，外加直流電源，在經(jīng)過(guò)調(diào)制過(guò)程后，降溫至熱塑性聚合物玻璃態(tài)溫度以下，保持在液態(tài)金屬的熔點(diǎn)以上，液態(tài)光柵結(jié)構(gòu)得以定型，最后移除誘導(dǎo)模板。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（1）中的基底為低熱膨脹硬質(zhì)材料基底或零膨脹硬質(zhì)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(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)模板與帶有第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)的基材。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（1）中的第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)與第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)相同，凸起結(jié)構(gòu)都具有導(dǎo)電性，且凸起結(jié)構(gòu)分別與選址開關(guān)相連，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)與第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)中的凸起結(jié)構(gòu)厚度均為190-210nm。

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

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（2）中的石墨烯過(guò)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(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（2）中的液態(tài)金屬為鎵系金屬或錫銦合金，液態(tài)金屬的熔點(diǎn)低于50℃，液態(tài)金屬層的厚度為30-200nm。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（2）中加熱基材時(shí)的溫度在液態(tài)金屬熔點(diǎn)以上，在熱塑性聚合物玻璃態(tài)溫度之下。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，步驟（4）中所進(jìn)行的調(diào)制過(guò)程為：首先將電源負(fù)極通過(guò)選址開關(guān)與基材上的第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)相連，將電源正極通過(guò)選址開關(guān)與誘導(dǎo)模板上的第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)相連，然后根據(jù)光柵的柵距要求，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)來(lái)控制第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)與第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)是否帶電，接著保持穩(wěn)定的電壓，直到光柵結(jié)構(gòu)成型。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所制造的液態(tài)光柵具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：(a)能夠根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)控光柵的參數(shù)，且調(diào)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(tǒng)固態(tài)光柵表面粗糙度相比，液態(tài)光柵因流動(dòng)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(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1至圖4分別是本發(fā)明電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法的步驟一至步驟四示意圖；

圖中：1、誘導(dǎo)模板，2、基材，3、第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)，4、第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)，5、選址開關(guān)，6、pmma聚合物薄膜層，7、過(guò)渡材料層，8、液態(tài)金屬層，9、位置調(diào)整裝置。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1至圖4，實(shí)施例中選址開關(guān)5是商品化的板卡式多路可控繼電器陣列，而實(shí)際中可以利用集成電路相關(guān)工藝自行設(shè)計(jì)制造。

實(shí)施例1

一種電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法，包括如下步驟：

（1）誘導(dǎo)模板和基材的制備：

如圖1，選用零膨脹的殷鋼作為誘導(dǎo)模板1和基材2的材料，在誘導(dǎo)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(yīng)離子刻蝕的方法在誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4的寬度均為10μm，厚度均為200nm，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4通過(guò)焊接工藝，經(jīng)接插件、排線與選址開關(guān)5相連，選址開關(guān)5是板卡式的多路可控繼電器陣列，可通過(guò)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(shù)處理基材2表面，使其有利于粘結(jié)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(shù)將具有高延展性的一層石墨烯轉(zhuǎn)移到pmma聚合物薄膜層6上，形成過(guò)渡材料層7，厚度30nm，最后加熱基材，pmma聚合物的玻璃態(tài)溫度高于液態(tài)金屬的熔點(diǎn)，加熱溫度在液態(tài)金屬熔點(diǎn)以上，在pmma聚合物玻璃態(tài)溫度之下，利用旋轉(zhuǎn)涂膠工藝在石墨烯過(guò)渡材料層上涂布一層錫銦合金液態(tài)金屬，形成液態(tài)金屬層8，厚度30nm；

（3）誘導(dǎo)模板和基材相對(duì)位置的調(diào)整：

如圖3，外加位置調(diào)整裝置9，使誘導(dǎo)模板1和基材2保持相對(duì)平行并有2.0mm的間隙，根據(jù)光柵柵齒的形貌要求調(diào)整誘導(dǎo)模板和基材的相對(duì)位置；

（4）電場(chǎng)誘導(dǎo)可調(diào)制液態(tài)光柵的成型：

如圖4，加熱基材2，使pmma聚合物處于液態(tài)，外加直流電源，電壓范圍為1-300v，將電源負(fù)極通過(guò)選址開關(guān)5與基材2上的第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4相連，將電源正極通過(guò)選址開關(guān)5與誘導(dǎo)模板1上的第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3相連，然后根據(jù)光柵的占空比和周期要求，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)5的開閉使第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3為每隔一個(gè)帶電，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)5的開閉使第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4為每隔一個(gè)帶電，接著保持穩(wěn)定的電壓5-60分鐘，直到光柵結(jié)構(gòu)成型，降溫至pmma玻璃態(tài)溫度以下，在錫銦合金的熔點(diǎn)以上，液態(tài)光柵結(jié)構(gòu)得以定型，最后移除誘導(dǎo)模板。

實(shí)施例2

一種電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法，包括如下步驟：

（1）誘導(dǎo)模板和基材的制備：

如圖1，選用零膨脹的殷鋼作為誘導(dǎo)模板1和基材2的材料，在誘導(dǎo)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(yīng)離子刻蝕的方法在誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4的寬度均為10μm，厚度均為190nm，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4通過(guò)焊接工藝，經(jīng)接插件、排線與選址開關(guān)5相連，選址開關(guān)5是板卡式的多路可控繼電器陣列，可通過(guò)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(shù)處理基材2表面，使其有利于粘結(jié)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(zhuǎn)印技術(shù)將具有高延展性的一層石墨烯轉(zhuǎn)移到pmma聚合物薄膜層6上，形成過(guò)渡材料層7，厚度40nm，最后加熱基材，pmma聚合物的玻璃態(tài)溫度高于液態(tài)金屬的熔點(diǎn)，加熱溫度在液態(tài)金屬熔點(diǎn)以上，在pmma聚合物玻璃態(tài)溫度之下，利用旋轉(zhuǎn)涂膠工藝在石墨烯過(guò)渡材料層上涂布一層錫銦合金液態(tài)金屬，形成液態(tài)金屬層8，厚度120nm；

（3）誘導(dǎo)模板和基材相對(duì)位置的調(diào)整：

如圖3，外加位置調(diào)整裝置9，使誘導(dǎo)模板1和基材2保持相對(duì)平行并有1.5mm的間隙，根據(jù)光柵柵齒的形貌要求調(diào)整誘導(dǎo)模板和基材的相對(duì)位置；

（4）電場(chǎng)誘導(dǎo)可調(diào)制液態(tài)光柵的成型：

如圖4，加熱基材2，使pmma聚合物處于液態(tài)，外加直流電源，電壓范圍為1-300v，將電源負(fù)極通過(guò)選址開關(guān)5與基材2上的第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4相連，將電源正極通過(guò)選址開關(guān)5與誘導(dǎo)模板1上的第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3相連，然后根據(jù)光柵的占空比和周期要求，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)5的開閉使第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3為每隔一個(gè)帶電，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)5的開閉使第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4為每隔一個(gè)帶電，接著保持穩(wěn)定的電壓5-60分鐘，直到光柵結(jié)構(gòu)成型，降溫至pmma玻璃態(tài)溫度以下，在錫銦合金的熔點(diǎn)以上，液態(tài)光柵結(jié)構(gòu)得以定型，最后移除誘導(dǎo)模板。

實(shí)施例3

一種電場(chǎng)誘導(dǎo)成型可調(diào)制液態(tài)光柵的制造方法，包括如下步驟：

（1）誘導(dǎo)模板和基材的制備：

如圖1，選用零膨脹的殷鋼作為誘導(dǎo)模板1和基材2的材料，在誘導(dǎo)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(yīng)離子刻蝕的方法在誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4的寬度均為10μm，厚度均為210nm，第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3和第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4通過(guò)焊接工藝，經(jīng)接插件、排線與選址開關(guān)5相連，選址開關(guān)5是板卡式的多路可控繼電器陣列，可通過(guò)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(shù)處理基材2表面，使其有利于粘結(jié)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(shù)將具有高延展性的一層石墨烯轉(zhuǎn)移到pmma聚合物薄膜層6上，形成過(guò)渡材料層7，厚度50nm，最后加熱基材，pmma聚合物的玻璃態(tài)溫度高于液態(tài)金屬的熔點(diǎn)，加熱溫度在液態(tài)金屬熔點(diǎn)以上，在pmma聚合物玻璃態(tài)溫度之下，利用旋轉(zhuǎn)涂膠工藝在石墨烯過(guò)渡材料層上涂布一層錫銦合金液態(tài)金屬，形成液態(tài)金屬層8，厚度200nm；

（3）誘導(dǎo)模板和基材相對(duì)位置的調(diào)整：

如圖3，外加位置調(diào)整裝置9，使誘導(dǎo)模板1和基材2保持相對(duì)平行并有2.5mm的間隙，根據(jù)光柵柵齒的形貌要求調(diào)整誘導(dǎo)模板和基材的相對(duì)位置；

（4）電場(chǎng)誘導(dǎo)可調(diào)制液態(tài)光柵的成型：

如圖4，加熱基材2，使pmma聚合物處于液態(tài)，外加直流電源，電壓范圍為1-300v，將電源負(fù)極通過(guò)選址開關(guān)5與基材2上的第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4相連，將電源正極通過(guò)選址開關(guān)5與誘導(dǎo)模板1上的第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3相連，然后根據(jù)光柵的占空比和周期要求，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)5的開閉使第一周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)3為每隔一個(gè)帶電，通過(guò)調(diào)制選址開關(guān)5的開閉使第二周期性柵狀凸起結(jié)構(gòu)4為每隔一個(gè)帶電，接著保持穩(wěn)定的電壓5-60分鐘，直到光柵結(jié)構(gòu)成型，降溫至pmma玻璃態(tài)溫度以下，在錫銦合金的熔點(diǎn)以上，液態(tài)光柵結(jié)構(gòu)得以定型，最后移除誘導(dǎo)模板。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。