专利名称：一种基于左手材料的楔形光波导的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种楔形光波导的制备方法，特别涉及一种基于左手材料且对可见光
具有特殊响应的楔形光波导的制备方法。
背景技术：
左手材料(Left-handed metamaterials， LHMs)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期性结构材料，由于在其中传播的电磁波的相速度和群速度方向相反，因而表现出一系列反常的电磁特性，如负折射效应、反常多普勒效应及完美透镜效应等。随着大量理论研究工作的进行，左手材料的一些新奇特性逐渐为人们所认识。新的理论研究结果表明，当光穿过掺杂有微小的不同形状和排列方式的金属透明介质时，光的传播方式会发生改变。"Trapped rainbow"模型从理论上证明了一种以左手材料为芯并且沿轴向变化的异质结构能够有效而连贯地使光波完全停顿。根据"Trapped rainbow"模型，不同频率的光波停止在不同厚度的波导处，从而导致了光波谱的空间分离和"捕获彩虹"的形成。
目前，制备光频段左手材料主要使用的是"自上而下"的物理刻蚀技术，但是这种方法设备昂贵、工艺复杂、制备成本高，而且制备样品的尺寸只能达到平方微米量级，因而极大地限制了光频段左手材料的研究和应用。而"自下而上"的化学电沉积方法则可以通过控制实验条件，更容易地实现纳米尺度金属结构的制备，从而为光频段左手材料的研究与应用提供了一种新途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于左手材料的楔形光波导的制备方法。这种制备方法是以透明的氧化铟锡导电玻璃(IT0导电玻璃)为基底，在基底上镀一层PVA薄膜，加热使PVA薄膜固化。然后采用化学电沉积法在处理后的基底上制备银树枝状结构，再在制备的银树枝状结构表面涂覆一层PVA薄膜。另取一片ITO导电玻璃，在其上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆过程中逐渐縮短PVA薄膜的长度，从而得到一种近似楔形结构的PVA绝缘膜。将二者面向叠合即得到了一种中间层为左手材料的楔形光波导。取一片采用上述方法制备的表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构，将其与一片未涂覆PVA薄膜的银树枝状结构面向叠合组装成多层结构左手材料。然后将两片多层结构左手材料样品以0.3。 1.5°的夹角搭成两端开口的楔角结构，则得到一种两边为左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导。
图1楔形光波导的制备过程示意图
(a)中间层为左手材料的楔形光波导 (b)两边为多层结构左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导 图2纳米银树枝状结构的化学电沉积制备装置示意图 图3沉积电压为0. 9V，沉积时间为90s时制备的银树枝状结构的SEM照片
图4楔形光波导样品I的透射率曲线 图5楔形光波导样品II所采用的两片多层结构左手材料的透射率曲线
(a)夹在两层导电玻璃之间的三层有机膜的透射曲线(对应右边纵坐标)
(b)多层结构左手材料样品1 (对应左边纵坐标)
(c)多层结构左手材料样品2 (对应左边纵坐标) 图6光束平行入射到楔形光波导样品I，在垂直于样品表面方向上的光学测试曲线 图7光束平行入射到楔形光波导样品II，在垂直于样品表面方向上的光学测试曲线
具体实施例方式
1. PVA溶液的配制准确称取2. 5g聚乙烯醇(分析纯)置于500ml烧杯中，加入500ml超纯水，搅拌加热至沸腾，待聚乙烯醇(PVA)全部溶解后停止加热，冷却至室温后转入500ml容量瓶，并补加超纯水至刻度(加热溶解时有部分水分被蒸发)，即得质量分数为0. 5X的PVA溶液。 2. ITO导电玻璃基底的处理将大块ITO导电玻璃用皂粉和超纯水充分清洗，然后采用滴涂法，以质量分数为0. 5%的PVA超纯水溶液作为涂液，在其导电面上涂覆一层均匀的PVA薄膜，放在真空干燥箱内室温晾干。把镀膜后的ITO玻璃放在电热鼓风干燥箱内，在17(TC下加热30min，使PVA薄膜脱脂醚化而不溶于水。冷却后切割成lcmX5cm的小片。
3.电解液的制备将1. 2g聚乙二醇-20000加入5mL超纯水中，充分溶解，在混合液中加入5ml硝酸银溶液(质量分数16. 7% )，在冰浴条件下低速搅拌溶解，同时将混合液置于白炽灯下照射20min 50min，然后将其转入棕色磨口试剂瓶，在避光、4t:下陈化24h以上，即可得到电解液。 4.纳米银树枝状结构的制备将镀膜且加热处理过的ITO导电玻璃作为阴极；取光滑平整的银片(纯度99.9%)清洗干净并晾干，作为阳极；将二者组装为如附图2所示的装置，电极间距用厚度为0. 6mm的塑片控制，用吸管在两电极之间加入电解液，控制直流沉积电压为0. 9V，通电时间为60s 120s，就会在ITO导电玻璃上的有机膜表面得到纳米银树枝状结构。 5. PVA绝缘薄膜的制备采用滴涂法，以质量分数为0. 5%的PVA超纯水溶液为涂
液，用吸管在沉积了银树枝状结构的样品表面缓慢滴涂。然后将样品放在真空干燥箱内室
温晾干，即可得到厚度约为30nm 40nm的PVA绝缘薄膜。另取一片ITO导电玻璃，在其上
多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆过程中逐渐縮短PVA薄膜的长度，即可得到一种近似楔形
结构的PVA绝缘膜。 6.楔形光波导的组装与测试 ①将沉积银树枝状结构并涂覆PVA绝缘膜的样品和涂覆楔形PVA绝缘膜的样品面向叠合并固定，即得到一种中间部分为左手材料的楔形光波导(样品I)。采用UV-9100型紫外-可见分光光度计测试光波垂直通过样品I时，有透射通带存在(如附图4所示)。将光束平行入射到样品I，以左手材料边界为起点，从垂直于样品表面方向上进行光学测试，当探测位置从距起点50 ii m处移动到250 ii m处时，探测到光信号的波峰发生移动(如附图
46所示)。 ②将一片表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品与未涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品面向叠合组装成多层结构左手材料，采用UV-9100型紫外-可见分光光度计测试其透射率，其透射曲线具有较强的透射通带(如附图5所示)。然后将两片多层结构左手材料搭成两端开口的夹角为0.3。 1.5°的楔角结构，即可得到一种两边为左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导(样品II)。将光束平行入射到样品II，以左手材料边界为起点，从垂直于样品表面方向上进行光学测试，当探测位置从距起点lmm处移动到3mm处时，探测到光信号的波峰也发生了移动(如附图7所示)。
本发明的实现过程和材料的性能由实施例和
实施例一 采用滴涂法，按实施方式2对ITO导电玻璃基底进行处理。将处理过的IT0导电玻璃、银板电极组装成如附图2所示的实验装置。将陈化好的硝酸银浓度为0. lmg/ml的电解液沿两电极之间的缝隙加入，然后在直流稳压0. 9V的条件下通电沉积90s，就可以在ITO导电玻璃基底上的有机薄膜表面得到单元直径约为250nm-500nm、枝化度较高且分枝明显的纳米银树枝状结构(形貌如附图3所示)。然后采用滴涂法在一片样品的表面涂覆一层厚度约为30nm 40nm的PVA绝缘薄膜。另取一片ITO导电玻璃，在其上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆过程中逐渐縮短PVA薄膜的长度，从而制得近似楔形结构的PVA绝缘膜。将表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品与楔形结构PVA绝缘膜样品面向叠合并固定，即得到一种中间部分为左手材料的楔形光波导(样品I)。采用UV-9100型紫外-可见分光光度计进行楔形光波导样品的透射率测试，样品的透射曲线具有透射通带，如附图4所示。将光束平行入射到样品，以左手材料的边界为起点，从垂直于样品表面方向上进行光学测试，当探测位置从距起点50 ii m处移动到250 ii m处时，探测到的光信号波峰发生移动(如附图6所示)。 实施例二 按实施例一中的方式制备纳米银树枝状结构，取一片表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品，将其与一片未涂覆PVA薄膜的银树枝状结构的样品面向叠合组装成多层结构左手材料，采用UV-9100型紫外-可见分光光度计测试其透射率，其透射曲线具有较强的透射通带(如附图5所示)。然后将两片多层结构左手材料搭成一两端开口的夹角为0. 4°的楔角结构，即可得到一种两边为左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导(样品11)。将光束平行入射到样品II，以左手材料的边界为起点，从垂直于样品表面方向上进行光学测试，当探测位置从距起点lmm处移动到3mm处时，探测到光信号的波峰也发生了移动(如附图7所示)。
权利要求
一种基于左手材料的楔形光波导的制备方法，其主要特征是先采用化学电沉积方法，在经过加热处理的涂覆PVA薄膜的ITO导电玻璃基底上制备银树枝状结构；接着，在制备的银树枝状结构表面涂覆PVA薄膜；然后在另一片ITO导电玻璃上涂覆楔形结构的PVA绝缘膜；最后，将表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品与楔形结构PVA薄膜样品面向紧密叠合即可得到一种中间为左手材料的楔形光波导。将一片表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品与一片未涂覆PVA薄膜的银树枝状结构样品面向叠合组装成多层结构左手材料。然后将两片多层结构左手材料样品以0.3°～1.5°的夹角搭成一两端开口的楔角结构，则得到一种两边为左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导。
2. 如权利要求1所述ITO导电玻璃基底的处理方法是，将ITO导电玻璃用皂粉和超纯水充分清洗，然后采用滴涂法，以质量分数为0. 5%的PVA超纯水溶液作为涂液，在其导电面上涂覆一层均匀的PVA薄膜，放在真空干燥箱内室温晾干。把镀膜后的ITO玻璃放在电热鼓风干燥箱内，在17(TC下加热30min，使PVA薄膜脱脂醚化而不溶于水。
3. 如权利要求1所述纳米银树枝的制备，其特征是采用化学电沉积方法，以1. 2g聚乙二醇(分子量20000) 、5mL超纯水、5mL硝酸银水溶液(质量分数16. 7% )混合溶液作为电解液(配制时光照20min 50min， 4°C陈化24h以上)，以加热处理的涂覆PVA薄膜的ITO导电玻璃为阴极，以光滑平整的平板银电极(纯度99. 9% )作为阳极，在电极间距为0. 6mm、沉积电压为0. 9V的条件下沉积60s 120s，即可在阴极表面得到纳米银树枝状结构。
4. 如权利要求1所述楔形结构PVA绝缘膜的制备，其主要特征是在一片ITO导电玻璃基底上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆过程中逐渐縮短PVA薄膜的长度，即可得到一种楔形结构的PVA绝缘膜。
5. 如权利要求1所述的一种基于左手材料的楔形光波导，其特征是在可见光波段具有特殊的光学行为当光束(白光)平行入射进入样品时，在垂直于样品表面的方向上探测到光谱的峰值随探测位置的变化而发生移动。
全文摘要
本发明涉及一种基于左手材料的楔形光波导的制备方法。具体涉及ITO导电玻璃基底上PVA薄膜的制备及其加热固化、固化后的PVA薄膜基底上纳米银树枝状结构的化学电沉积制备及其表面PVA绝缘薄膜的涂覆、ITO导电玻璃基底上楔形PVA薄膜的制备以及基于银树枝状结构左手材料的楔形光波导的组装方法。可见光垂直通过楔形光波导时，透射曲线有透射通带存在；可见光平行入射到楔形光波导内部时，在垂直于样品表面方向上探测到的光谱峰值随探测位置的变化发生移动。
文档编号G02B6/132GK101762846SQ200810236470
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者宋坤, 赵晓鹏 申请人:西北工业大学