基于拉伸PDMS光栅调控光栅周期变化率的方法与流程

本发明涉及一种变周期光栅制作技术，特别涉及一种基于拉伸PDMS光栅调控光栅周期变化率的方法。

背景技术：

光栅作为一种非常重要的分光元件，被广泛应用于集成光路、光通信、光信息处理、光学测量等领域中。变周期光栅的栅距按照一定的规律变化，具有自聚焦、像差矫正、高分辨率、平焦场等一些特殊性能，在激光受控核聚变装置、同步辐射应用、太空探测器、航空航天飞行器等尖端科技中有着重要而广泛的应用。

PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷，通常被称为有机硅）是一种高分子有机硅化合物，具有很好的弹性、光学特性、低的玻璃化温度、低表面能、高透气性、极佳的绝缘性、化学稳定性和热稳定性。其在液态时为一种粘稠液体，称做硅油，是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物；在固态时为一种硅胶，无毒、疏水性的惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。实验室中通常用主剂与固化剂以一定比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面至破裂，再在一定温度下烘烤一定时间后使其固化，主剂和固化剂的比例、加热温度、加热时间等参数的不同将会制作出不同硬度的PDMS。

变周期光栅的制作方法主要有机械刻划和全息光刻两种。机械刻划适合于在金属表面制作具有闪耀结构的变周期光栅，由于光栅间距的变化规律是由计算机控制产生的，因此不受制作全息光栅中的光路限制，缺点是受刀具的限制，光栅间距不是连续变化，而是由小段等间距光栅拼接而成，且制作效率低，有鬼线，杂散光比较多；全息光刻制作变周期光栅的优点是光栅周期连续变化（由光路干涉而成）且制作效率较高，适合于制作大口径、高线密度的变周期光栅。但全息光刻法制作的光栅间距的变化规律受干涉光路的限制，有时不能获得实际所需的某些变化规律，比如光栅间距为线性变化的光栅。

技术实现要素：

本发明是针对现有的变周期光栅的制作工艺复杂，耗时长，可控性不高，制作成本高的问题，提出了一种基于拉伸PDMS光栅调控光栅周期变化率的方法，工艺简单，可控性高，制作成本低，制作周期短。

本发明的技术方案为：一种基于拉伸PDMS光栅调控光栅周期变化率的方法，具体步骤如下：

1）制作基于PDMS的变周期光栅：

A: 用光刻或机械刻化制作母模版光栅；

B: 将步骤A制作的母模版光栅上的光栅图案转移到PDMS薄膜上,

具体步骤：a、将预聚物和固化剂按照20：1的体积配比，将混合好的PDMS液体放在真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体中无气泡为止；b、将抽好真空的PDMS液体倒在光栅模板表面，并在100℃下加热固化1小时，然后冷却；c、将PDMS薄膜从光栅模板上剥离下来，按照具有不同底角的等腰梯形形状切割出不同块的PDMS薄膜备用；

2）对制作后基于PDMS的变周期光栅进行拉伸：将步骤1）制作后PDMS薄膜平整在夹持在一维平移拉伸台上，薄膜一端固定，另一端夹持在可移动平台上，沿着垂直于光栅栅线的方向在PDMS弹性范围内拉伸一定的长度；

3）对拉伸后基于PDMS的变周期光栅进行检测：检测拉伸后的PDMS薄膜的线密度，在薄膜中间区域内，光栅线密度的分布呈线性变化；

4）调节步骤2）等腰梯形PDMS薄膜的底角，再进行步骤3）的检测，得到不同的呈线性变化的光栅线密度的分布。

本发明的有益效果在于：本发明基于PDMS的变周期光栅制作方法，工艺流程简单，制作成本低且有较高的可控性。

附图说明

图1-1为本发明方法制作的矩形结构光栅上拉伸总型变量图；

图1-2为本发明方法制作的矩形结构光栅上拉伸等效应变图；

图1-3为本发明方法制作的矩形结构光栅上拉伸等效应力图；

图2-1为本发明方法制作的梯形结构光栅上拉伸总型变量图；

图2-2为本发明方法制作的梯形结构光栅上拉伸等效应变图；

图2-3为本发明方法制作的梯形结构光栅上拉伸等效应力图；

图3为本发明不同底角梯形结构光栅上拉伸载荷相同时的光栅周期分布。

具体实施方式

基于拉伸PDMS光栅调控光栅周期变化率的方法，步骤如下：

1、制作基于PDMS的变周期光栅：

1）用光刻或机械刻化制作母模版光栅；

2）将上步骤中制作的母模版光栅上的光栅图案转移到PDMS薄膜上。具体是：a、将预聚物和固化剂按照20：1的体积配比，将混合好的PDMS液体放在真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体中无气泡为止；b、将抽好真空的PDMS液体倒在光栅模板表面，并在100℃下加热固化1小时，然后冷却；c、将PDMS薄膜从光栅模板上剥离下来，按照具有不同底边角度的梯形或者矩形形状切割出不同块的PDMS薄膜备用；

2、对制作后基于PDMS的变周期光栅进行拉伸：

将步骤1制作后PDMS薄膜平整在夹持在一维平移拉伸台上，薄膜一端固定，另一端夹持在可移动平台上，沿着垂直于光栅栅线的方向在PDMS弹性范围内拉伸一定的长度；

3、对拉伸后基于PDMS的变周期光栅进行检测：检测拉伸后的PDMS薄膜的线密度，由于在拉伸方向上不同位置处薄膜的宽度不同，使得受到的拉力不同、薄膜的形变不同，因而不同位置处的光栅周期不同。在薄膜中间区域内，由于受到的拉力基本相同，光栅周期的变化主要取决于薄膜的宽度，因此在这个范围内光栅线密度的分布呈线性变化。

以上步骤通过线密度的检测反应出我们通过拉伸复制光栅的PDMS薄膜而得到变周期的光栅，且光栅的周期分布受梯形薄膜侧边的影响呈线性变化分布。

利用ANSYS有限元分析软件来模拟仿真，特定形状的PDMS材料上制作出的光栅，在受力拉伸的情况下，光栅周期随着材料受力不同而产生的不均匀变化，从而得到了变周期光栅的结构：

在矩形结构的PDMS上制作光栅，在形变范围内拉伸：由ANSYS有限元分析结果可知，如图1-1在矩形结构上拉伸总型变量图，不同位置处形变量不同，形变量的改变影响光栅的周期，从1-2等效应变图、1-3等效应力图可知，在矩形结构的中间区域内的等效应变是均匀的，即是在改区域内的光栅周期变化是一直的。

图2在梯形结构上拉伸，如图2-1总型变量图，在梯形高的方向上形变量变化，从2-2等效应变图、2-3等效应力图可知，梯形结构上的等效应变在梯形高的方向上均匀变化，且变化受梯形侧边的斜率影响，改变梯形侧边的斜率即可在拉伸状态下得到不同的变周期光栅结构。

如图3为本发明不同底角梯形结构光栅上拉伸载荷相同时的光栅周期分布。图右上角为底角角度，由图可看出不同底角的梯形结构光栅拉伸，对光栅周期的调控不同，其变化规律与梯形底角相关，底角越小，变化得越快。