專利名稱：一種基于左手材料的楔形光波導的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種楔形光波導的制備方法，特別涉及一種基于左手材料且對可見光
具有特殊響應的楔形光波導的制備方法。
背景技術：
左手材料(Left-handed metamaterials， LHMs)是一種介電常數(shù)和磁導率同時為負的人工周期性結(jié)構(gòu)材料，由于在其中傳播的電磁波的相速度和群速度方向相反，因而表現(xiàn)出一系列反常的電磁特性，如負折射效應、反常多普勒效應及完美透鏡效應等。隨著大量理論研究工作的進行，左手材料的一些新奇特性逐漸為人們所認識。新的理論研究結(jié)果表明，當光穿過摻雜有微小的不同形狀和排列方式的金屬透明介質(zhì)時，光的傳播方式會發(fā)生改變。"Trapped rainbow"模型從理論上證明了一種以左手材料為芯并且沿軸向變化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效而連貫地使光波完全停頓。根據(jù)"Trapped rainbow"模型，不同頻率的光波停止在不同厚度的波導處，從而導致了光波譜的空間分離和"捕獲彩虹"的形成。
目前，制備光頻段左手材料主要使用的是"自上而下"的物理刻蝕技術，但是這種方法設備昂貴、工藝復雜、制備成本高，而且制備樣品的尺寸只能達到平方微米量級，因而極大地限制了光頻段左手材料的研究和應用。而"自下而上"的化學電沉積方法則可以通過控制實驗條件，更容易地實現(xiàn)納米尺度金屬結(jié)構(gòu)的制備，從而為光頻段左手材料的研究與應用提供了一種新途徑。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于左手材料的楔形光波導的制備方法。這種制備方法是以透明的氧化銦錫導電玻璃(IT0導電玻璃)為基底，在基底上鍍一層PVA薄膜，加熱使PVA薄膜固化。然后采用化學電沉積法在處理后的基底上制備銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，再在制備的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)表面涂覆一層PVA薄膜。另取一片ITO導電玻璃，在其上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆過程中逐漸縮短PVA薄膜的長度，從而得到一種近似楔形結(jié)構(gòu)的PVA絕緣膜。將二者面向疊合即得到了一種中間層為左手材料的楔形光波導。取一片采用上述方法制備的表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，將其與一片未涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)面向疊合組裝成多層結(jié)構(gòu)左手材料。然后將兩片多層結(jié)構(gòu)左手材料樣品以0.3。 1.5°的夾角搭成兩端開口的楔角結(jié)構(gòu)，則得到一種兩邊為左手材料，中間部分為空氣層的楔形光波導。
圖1楔形光波導的制備過程示意圖
(a)中間層為左手材料的楔形光波導 (b)兩邊為多層結(jié)構(gòu)左手材料，中間部分為空氣層的楔形光波導 圖2納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的化學電沉積制備裝置示意圖 圖3沉積電壓為0. 9V，沉積時間為90s時制備的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的SEM照片
圖4楔形光波導樣品I的透射率曲線 圖5楔形光波導樣品II所采用的兩片多層結(jié)構(gòu)左手材料的透射率曲線
(a)夾在兩層導電玻璃之間的三層有機膜的透射曲線(對應右邊縱坐標)
(b)多層結(jié)構(gòu)左手材料樣品1 (對應左邊縱坐標)
(c)多層結(jié)構(gòu)左手材料樣品2 (對應左邊縱坐標) 圖6光束平行入射到楔形光波導樣品I，在垂直于樣品表面方向上的光學測試曲線 圖7光束平行入射到楔形光波導樣品II，在垂直于樣品表面方向上的光學測試曲線
具體實施例方式
1. PVA溶液的配制準確稱取2. 5g聚乙烯醇(分析純)置于500ml燒杯中，加入500ml超純水，攪拌加熱至沸騰，待聚乙烯醇(PVA)全部溶解后停止加熱，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)入500ml容量瓶，并補加超純水至刻度(加熱溶解時有部分水分被蒸發(fā))，即得質(zhì)量分數(shù)為0. 5X的PVA溶液。 2. ITO導電玻璃基底的處理將大塊ITO導電玻璃用皂粉和超純水充分清洗，然后采用滴涂法，以質(zhì)量分數(shù)為0. 5%的PVA超純水溶液作為涂液，在其導電面上涂覆一層均勻的PVA薄膜，放在真空干燥箱內(nèi)室溫晾干。把鍍膜后的ITO玻璃放在電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在17(TC下加熱30min，使PVA薄膜脫脂醚化而不溶于水。冷卻后切割成lcmX5cm的小片。
3.電解液的制備將1. 2g聚乙二醇-20000加入5mL超純水中，充分溶解，在混合液中加入5ml硝酸銀溶液(質(zhì)量分數(shù)16. 7% )，在冰浴條件下低速攪拌溶解，同時將混合液置于白熾燈下照射20min 50min，然后將其轉(zhuǎn)入棕色磨口試劑瓶，在避光、4t:下陳化24h以上，即可得到電解液。 4.納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的制備將鍍膜且加熱處理過的ITO導電玻璃作為陰極；取光滑平整的銀片(純度99.9%)清洗干凈并晾干，作為陽極；將二者組裝為如附圖2所示的裝置，電極間距用厚度為0. 6mm的塑片控制，用吸管在兩電極之間加入電解液，控制直流沉積電壓為0. 9V，通電時間為60s 120s，就會在ITO導電玻璃上的有機膜表面得到納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)。 5. PVA絕緣薄膜的制備采用滴涂法，以質(zhì)量分數(shù)為0. 5%的PVA超純水溶液為涂
液，用吸管在沉積了銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的樣品表面緩慢滴涂。然后將樣品放在真空干燥箱內(nèi)室
溫晾干，即可得到厚度約為30nm 40nm的PVA絕緣薄膜。另取一片ITO導電玻璃，在其上
多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆過程中逐漸縮短PVA薄膜的長度，即可得到一種近似楔形
結(jié)構(gòu)的PVA絕緣膜。 6.楔形光波導的組裝與測試 ①將沉積銀樹枝狀結(jié)構(gòu)并涂覆PVA絕緣膜的樣品和涂覆楔形PVA絕緣膜的樣品面向疊合并固定，即得到一種中間部分為左手材料的楔形光波導(樣品I)。采用UV-9100型紫外-可見分光光度計測試光波垂直通過樣品I時，有透射通帶存在(如附圖4所示)。將光束平行入射到樣品I，以左手材料邊界為起點，從垂直于樣品表面方向上進行光學測試，當探測位置從距起點50 ii m處移動到250 ii m處時，探測到光信號的波峰發(fā)生移動(如附圖
46所示)。 ②將一片表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品與未涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品面向疊合組裝成多層結(jié)構(gòu)左手材料，采用UV-9100型紫外-可見分光光度計測試其透射率，其透射曲線具有較強的透射通帶(如附圖5所示)。然后將兩片多層結(jié)構(gòu)左手材料搭成兩端開口的夾角為0.3。 1.5°的楔角結(jié)構(gòu)，即可得到一種兩邊為左手材料，中間部分為空氣層的楔形光波導(樣品II)。將光束平行入射到樣品II，以左手材料邊界為起點，從垂直于樣品表面方向上進行光學測試，當探測位置從距起點lmm處移動到3mm處時，探測到光信號的波峰也發(fā)生了移動(如附圖7所示)。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程和材料的性能由實施例和
實施例一 采用滴涂法，按實施方式2對ITO導電玻璃基底進行處理。將處理過的IT0導電玻璃、銀板電極組裝成如附圖2所示的實驗裝置。將陳化好的硝酸銀濃度為0. lmg/ml的電解液沿兩電極之間的縫隙加入，然后在直流穩(wěn)壓0. 9V的條件下通電沉積90s，就可以在ITO導電玻璃基底上的有機薄膜表面得到單元直徑約為250nm-500nm、枝化度較高且分枝明顯的納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)(形貌如附圖3所示)。然后采用滴涂法在一片樣品的表面涂覆一層厚度約為30nm 40nm的PVA絕緣薄膜。另取一片ITO導電玻璃，在其上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆過程中逐漸縮短PVA薄膜的長度，從而制得近似楔形結(jié)構(gòu)的PVA絕緣膜。將表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品與楔形結(jié)構(gòu)PVA絕緣膜樣品面向疊合并固定，即得到一種中間部分為左手材料的楔形光波導(樣品I)。采用UV-9100型紫外-可見分光光度計進行楔形光波導樣品的透射率測試，樣品的透射曲線具有透射通帶，如附圖4所示。將光束平行入射到樣品，以左手材料的邊界為起點，從垂直于樣品表面方向上進行光學測試，當探測位置從距起點50 ii m處移動到250 ii m處時，探測到的光信號波峰發(fā)生移動(如附圖6所示)。 實施例二 按實施例一中的方式制備納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，取一片表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品，將其與一片未涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的樣品面向疊合組裝成多層結(jié)構(gòu)左手材料，采用UV-9100型紫外-可見分光光度計測試其透射率，其透射曲線具有較強的透射通帶(如附圖5所示)。然后將兩片多層結(jié)構(gòu)左手材料搭成一兩端開口的夾角為0. 4°的楔角結(jié)構(gòu)，即可得到一種兩邊為左手材料，中間部分為空氣層的楔形光波導(樣品11)。將光束平行入射到樣品II，以左手材料的邊界為起點，從垂直于樣品表面方向上進行光學測試，當探測位置從距起點lmm處移動到3mm處時，探測到光信號的波峰也發(fā)生了移動(如附圖7所示)。
權利要求
一種基于左手材料的楔形光波導的制備方法，其主要特征是先采用化學電沉積方法，在經(jīng)過加熱處理的涂覆PVA薄膜的ITO導電玻璃基底上制備銀樹枝狀結(jié)構(gòu)；接著，在制備的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)表面涂覆PVA薄膜；然后在另一片ITO導電玻璃上涂覆楔形結(jié)構(gòu)的PVA絕緣膜；最后，將表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品與楔形結(jié)構(gòu)PVA薄膜樣品面向緊密疊合即可得到一種中間為左手材料的楔形光波導。將一片表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品與一片未涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品面向疊合組裝成多層結(jié)構(gòu)左手材料。然后將兩片多層結(jié)構(gòu)左手材料樣品以0.3°～1.5°的夾角搭成一兩端開口的楔角結(jié)構(gòu)，則得到一種兩邊為左手材料，中間部分為空氣層的楔形光波導。
2. 如權利要求1所述ITO導電玻璃基底的處理方法是，將ITO導電玻璃用皂粉和超純水充分清洗，然后采用滴涂法，以質(zhì)量分數(shù)為0. 5%的PVA超純水溶液作為涂液，在其導電面上涂覆一層均勻的PVA薄膜，放在真空干燥箱內(nèi)室溫晾干。把鍍膜后的ITO玻璃放在電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在17(TC下加熱30min，使PVA薄膜脫脂醚化而不溶于水。
3. 如權利要求1所述納米銀樹枝的制備，其特征是采用化學電沉積方法，以1. 2g聚乙二醇(分子量20000) 、5mL超純水、5mL硝酸銀水溶液(質(zhì)量分數(shù)16. 7% )混合溶液作為電解液(配制時光照20min 50min， 4°C陳化24h以上)，以加熱處理的涂覆PVA薄膜的ITO導電玻璃為陰極，以光滑平整的平板銀電極(純度99. 9% )作為陽極，在電極間距為0. 6mm、沉積電壓為0. 9V的條件下沉積60s 120s，即可在陰極表面得到納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)。
4. 如權利要求1所述楔形結(jié)構(gòu)PVA絕緣膜的制備，其主要特征是在一片ITO導電玻璃基底上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆過程中逐漸縮短PVA薄膜的長度，即可得到一種楔形結(jié)構(gòu)的PVA絕緣膜。
5. 如權利要求1所述的一種基于左手材料的楔形光波導，其特征是在可見光波段具有特殊的光學行為當光束(白光)平行入射進入樣品時，在垂直于樣品表面的方向上探測到光譜的峰值隨探測位置的變化而發(fā)生移動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于左手材料的楔形光波導的制備方法。具體涉及ITO導電玻璃基底上PVA薄膜的制備及其加熱固化、固化后的PVA薄膜基底上納米銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的化學電沉積制備及其表面PVA絕緣薄膜的涂覆、ITO導電玻璃基底上楔形PVA薄膜的制備以及基于銀樹枝狀結(jié)構(gòu)左手材料的楔形光波導的組裝方法?？梢姽獯怪蓖ㄟ^楔形光波導時，透射曲線有透射通帶存在；可見光平行入射到楔形光波導內(nèi)部時，在垂直于樣品表面方向上探測到的光譜峰值隨探測位置的變化發(fā)生移動。
文檔編號G02B6/132GK101762846SQ200810236470
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權日2008年12月25日
發(fā)明者宋坤, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學