專利名稱：一種可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)的制作方法
一種可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)本發(fā)明涉及一種可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)，特別涉及了構(gòu)成可見光和 紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)的左手超材料。
背景技術(shù)：
左手超材料(Left-handed metamaterials, LHMs)是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時 為負(fù)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(fù)折射效應(yīng)、反常多普勒效應(yīng)及完美透鏡效應(yīng)等。隨著大 量理論研究工作的進(jìn)行，左手材料的一些新奇特性逐漸為人們所認(rèn)識。新的理論研究結(jié)果 表明，當(dāng)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?！癟rapped rainbow"模型從理論上證明了一種以左手超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(dǎo)處，從而導(dǎo)致了光波譜的空間分離和“捕獲彩虹”的形成。目前，制備可見光和紅外波段左手材料主要使用的是“自上而下”的物理刻蝕技 術(shù)，但是這種方法設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、制備成本高，而且制備樣品的尺寸只能達(dá)到平方微 米量級，因而極大地限制了可見光和紅外波段左手超材料的研究和應(yīng)用。而“自下而上”的 化學(xué)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 為可見光和紅外光頻段左手材料的研究與應(yīng)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可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)，空間變頻透明 波導(dǎo)通過調(diào)節(jié)楔角改變空間變頻的大小。構(gòu)造可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)中應(yīng) 用了一種化學(xué)電沉積制備的左手超材料，這種左手超材料在可見光和紅外波段(630nm 2600nm)具有左手效應(yīng)。


圖1銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)電沉積制備裝置示意2三層銀樹枝樣品的制備示意3沉積電壓為0.4V，沉積時間為80s時制備的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的SEM照片； (a). 5000倍電鏡照片，(b)4000倍電鏡照片圖4630nm 2600nm波段透射率曲線；a三層銀樹枝樣品透過率(對應(yīng)左坐標(biāo))； bITO的透過率(對應(yīng)右坐標(biāo))圖5聚焦測試曲線；(a)三層銀樹枝樣品透過率；(b)三層銀樹枝透過率峰值的聚 焦圖6可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)組成參數(shù)及測試圖7楔角3. 818毫弧度波導(dǎo)空間頻率立體8楔角3. 818毫弧度波導(dǎo)空間頻率平面圖
圖9a、b、c、d、e 楔角依次為 0、2· 727,3. 091,3. 818,4. 727,9. 564 (單位毫弧度)， 波長移云力大小依次是 0nm/mm、5. 937nm/mm、7. 16nm/mm、4. 082nm/mm、l. 98nm/mm>0mm/mm圖10波導(dǎo)楔角大小和波長移動的關(guān)系曲線
具體實施例方式1.PVA溶液的配制稱取15g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(bǔ)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?jǐn)?shù)為3%的PVA 溶液。2.電解液的制備5mL超純水加入5ml硝酸銀溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)16. 7% )，充分混 合，然后將其轉(zhuǎn)入棕色磨口試劑瓶，在避光、10°c下陳化2h，即可得到電解液。3.銀樹枝狀結(jié)構(gòu)的制備將ITO導(dǎo)電玻璃作為陰極；取光滑平整的銀片(純度 99.9% )清洗干凈用洗耳球吹干，作為陽極；將二者組裝為如附圖1所示的裝置，電極間 距用厚度為0. 625mm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. 4V 0. 6V，通電時間為80s 100s，就會在ITO導(dǎo)電玻璃上得到銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，如圖附圖 3所示。銀樹枝結(jié)構(gòu)的大小、密度可以通過電壓和時間細(xì)微的調(diào)節(jié)，這樣就可以控制銀樹枝 產(chǎn)生電磁響應(yīng)的頻段。4. PVA絕緣薄膜的制備采用滴涂法，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%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。然后將樣品平放在真空干燥箱內(nèi)室溫 晾干，即可得到厚度約為150nm 180nm的PVA絕緣薄膜。5.三層銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品的組裝與測試①先采用化學(xué)電沉積方法，在ITO導(dǎo)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(dǎo)電玻璃基底上制備銀樹枝狀結(jié) 構(gòu)；最后，將表面涂覆PVA薄膜的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品與銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品面向緊密疊合即 可得到左手超材料，如附圖2所示。②試驗中采用U-4100型分光光度計，測試了三層銀樹枝狀結(jié)構(gòu)左手超材料在 630nm 2600nm的透過率，如附圖4a所示；附圖4b是ITO導(dǎo)電玻璃的透過率曲線，是平滑 下降的。圖中可以看出樣品出現(xiàn)了多個透射峰，在透射峰的波長位置測試了樣品的聚焦，附 圖5所示。6.空間變頻透明波導(dǎo)的組裝與測試①將兩片左手超材料樣品搭成兩端開口的楔角結(jié)構(gòu)，大端口間距260 μ m,小端口 間距50 μ m，則得到一種兩邊為左手材料，中間部分為空氣層的空間變頻波導(dǎo)。這種波導(dǎo)具 有透明的特點，這樣試驗中探頭緊靠波導(dǎo)的外表面可以捕獲波導(dǎo)內(nèi)部光譜信息，如圖6所
示 ο②探頭緊靠波導(dǎo)的外表面從大端口開始橫向移動，自動微米位移臺每走200微米 記錄下光譜信息，附圖7所示。光譜信息的二維圖和三維圖可以看出光譜峰值的移動大小。本發(fā)明的實現(xiàn)過程和材料的性能由實施例和

實施例一將清潔吹干的ITO玻璃、銀板電極組裝成反應(yīng)裝置，如附圖1所示。在 兩電極間加入電解液，在沉積電壓為0. 4V 0. 6V條件下沉積80s 100s，可以在ITO玻璃表面得到銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，其形貌如附圖3所示。在其表面覆蓋一層PVA絕緣膜，與另一塊相 同無覆蓋PVA的銀樹枝結(jié)構(gòu)面向緊密合在一起，即得到三層結(jié)構(gòu)左手超材料(ITO+Ag分形 +PVA+Ag分形+ΙΤ0)，如附圖2所示。使用U — 4100型分光光度計對這種樣品在630nm 2600nm進(jìn)行透過率測試；當(dāng)光線垂直通過ITO導(dǎo)電玻璃時，其透過特性如附圖4. b所示，可 以看出透過率曲線是光滑下降的；當(dāng)光線垂直通過樣品時，在630nm 2600nm波長范圍內(nèi) 有多個透射峰出現(xiàn)，如附圖4a所示。在透射峰的波長位置進(jìn)行聚焦試驗，聚焦結(jié)果如附圖5 所示。在波峰位置645nm、708nm、788nm、的聚焦度依次是32%、22%、21.6%聚焦的位置隨 著波長的增大向更遠(yuǎn)的位置移動，具體情況如附圖5所示。實施例二按實施例一中的方式制備可見光紅外波段左手超材料，然后將兩片左 手超材料搭成兩端兩端開口楔角結(jié)構(gòu)，大端口間距260 μ m,小端口間距50 μ m,間距墊片用 PVC片制作，并用螺旋測微儀校準(zhǔn)，即可得到一種兩邊為左手材料，中間部分為空氣層的空 間變頻透明波導(dǎo)，如附圖6所示。將光束從大端口平行入射到波導(dǎo)，以左手材料的邊界為起 點，從垂直于樣品表面方向上進(jìn)行光學(xué)測試，探頭從大端入口處開始探測，沒移動200微米 記錄一次數(shù)據(jù)。根據(jù)“Trapped rainbow”模型，不同頻率的光波停止在不同厚度的波導(dǎo)處， 從而導(dǎo)致了光波譜的空間變頻和“捕獲彩虹”的形成。從附圖7、附圖8可以看出，波峰波長 隨著探頭的移動出現(xiàn)了明顯的紅移即空間變頻形成。實施例三在試驗中通過改變楔角的大小測試出了波峰移動和楔角的關(guān)系，如附 圖9、附圖10所示。其主要特征是大端口間距固定在260 μ m,小端口間距0 260 μ m之 間變化，當(dāng)當(dāng)楔角為0時峰值波長不隨位置變化即沒有出現(xiàn)空間變頻；楔角大于零小于臨 界角時，峰值波長移動的速度先逐漸增大，達(dá)到最大值后逐漸減??；當(dāng)楔角大于臨界角時， 波峰位置不再移動即空間變頻消失。具體移動是當(dāng)楔角為0,2. 727,3. 091,3. 818,4. 727、 9. 564 (單位毫弧度)，波長移動大小依次是 0nm/mm、5. 937nm/mm、7. 16nm/mm、4. 082nm/mm、 1. 98nm/mm、0mm/mmo
權(quán)利要求
一種可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)，由兩片光學(xué)左手超材料和空氣劈組成，其主要特征是光學(xué)左手超材料采用化學(xué)電沉積方法制備，在可見光和紅外波段(630nm～2600nm)出現(xiàn)左手效應(yīng)；空間變頻透明波導(dǎo)通過調(diào)節(jié)楔角改變空間變頻的大小。
2.如權(quán)利要求1所述可見光和紅外波段左手超材料的制備，其主要特征是先采用化學(xué) 電沉積方法，在兩片55mmX 9mm的ITO導(dǎo)電玻璃基底上分別制備銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，工藝條件為 以5mL超純水與5mL硝酸銀水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.7%)混合溶液作為電解液，ITO導(dǎo)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0.625mm、沉 積電壓為0. 4V 0. 6V的條件下沉積時間80s 100s，生長面積9mmX30mm，即可在陰極表 面得到銀樹枝狀結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)電壓和時間得到不同大小、密度的銀樹枝狀結(jié)構(gòu)；在制備的 一片銀樹枝狀結(jié)構(gòu)表面涂覆質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的PVA薄膜，工藝條件為稱取15g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(bǔ)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?jǐn)?shù)為3%的PVA溶液；將表面涂覆質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的PVA薄膜的銀樹 枝狀結(jié)構(gòu)樣品與銀樹枝狀結(jié)構(gòu)樣品面向緊密疊合即可得到一種“三層結(jié)構(gòu)”的左手超材料。
3.如權(quán)利要求1所述左手超材料制備的一種空間變頻透明波導(dǎo)，其主要特征是將兩塊 左手超材料樣品搭成兩端開口的楔型結(jié)構(gòu)，大端口間距260 μ m,小端口間距50 μ m,間距墊 片用PVC片制作，并用螺旋測微儀校準(zhǔn)，則得到一種兩邊為左手超材料，中間部分為空氣劈 的空間變頻透明波導(dǎo)。
4.如權(quán)利要求3的空間變頻透明波導(dǎo)，通過調(diào)節(jié)楔角改變空間變頻的大小，其主要特 征是大端口間距固定在260 μ m,小端口間距在0 260 μ m之間變化；當(dāng)楔角為0時峰值波 長不隨位置變化即沒有出現(xiàn)空間變頻；楔角大于零小于臨界角時，峰值波長移動的速度先 逐漸增大，達(dá)到最大值后逐漸減??；當(dāng)楔角大于臨界角時，波峰位置不再移動即空間變頻消 失。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可見光和紅外波段空間變頻透明波導(dǎo)，波導(dǎo)由兩片光學(xué)左手超材料和空氣劈組成；其中左手超材料采用“自下而上”的電化學(xué)沉積方法制備，在可見光和紅外波段(波長為630nm～2600nm)具有左手效應(yīng)，空間變頻透明波導(dǎo)通過改變楔角的大小可以實現(xiàn)對空間變頻的調(diào)節(jié)。由波導(dǎo)可以測定不同頻率的光波包出現(xiàn)在不同厚度的波導(dǎo)處，從而導(dǎo)致了光波譜的空間分離。
文檔編號G02F2/02GK101900922SQ20091002269
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者付全紅, 婁勇, 程小超, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學(xué)