采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备及方法
【专利摘要】本发明公开了本发明涉及一种采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备及方法，该设备包括复合钠钙硅玻璃、阳极、阴极、加热装置、纳米Ag颗粒、热电偶、绝缘陶瓷、不锈钢盒子、第一控制器、电脑、第二控制器、气体进出口，阳极、阴极分别位于复合钠钙硅玻璃的两侧。该热场和周期性电场设备可实现多种纳米/微米级显微结构的衍射光学元件。本发明可以通过调整热极化电压、温度、时间和Si阳极上的显微图案的周期性与形貌来电压达到控制样品的周期性与形貌。该设备可以一次实现大面积纳米/微米级显微结构的衍射光学元件，相对传统材料制备效率可提高数倍至数十倍。
【专利说明】
采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备及方法
技术领域
[0001]本发明涉及材料制备技术领域，特别是涉及一种采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，可见-近红外光学材料已广泛应用于信息技术、激光技术和电子通信技术等现代军事和民用高科技领域。晶体材料如蓝宝石和金刚石，使用传统工艺获得非球面透镜或棱镜的难度大、效率低、成本高，难以满足迅速发展的光学、信息技术等对材料的小型化、集成化和功能化的要求。钠钙硅玻璃材料因具有光损耗低、覆盖光通信窗口多、制造工艺简单、成本低和几何尺寸不受限制等优点，在可见-近红外光学系统中具有广阔的应用前景。一般地，实现微结构尺寸和分布的可控印刷是获得优异倍频和衍射光学等性能的关键环节。
[0003]为了实现基于微结构的光功能钠钙硅玻璃可控制备，需要对玻璃进行改性。以前的改性主要集中于诸如干法蚀刻和光刻等普通微加工手段，其不足之处在于设备昂贵、工艺复杂、加工效率低下等，尤其是光刻还受到光衍射的影响2008年，Takagi等人提出了一种简便可行的解决方案一采用显微图案电极热极化，其示意如图1所示:采用具有周期性显微图案的阳极对玻璃进行热极化，以在玻璃表面形成与阳极微结构图案一致的极化层;从该微结构的形貌(分布与尺寸)和成份(原子或分子结构等)出发，进行适合于特定功能(如衍射光栅)设计，低成本高性能光学材料的印刷提供基础保障。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备及方法，其可以一次性将所需图案印刷在样品上，实现图案分辨率可达微米甚至纳米级水平，微结构的形貌(分布与尺寸)和成份(原子或分子结构等)可控、制备效率高。
[0005]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，其包括复合钠钙硅玻璃、阳极、阴极、加热装置、纳米Ag颗粒、热电偶、绝缘陶瓷、不锈钢盒子、第一控制器、电脑、第二控制器、气体进出口，阳极、阴极分别位于复合钠钙硅玻璃的两侧，纳米Ag颗粒位于复合钠钙硅玻璃的表面，热电偶位于阴极的正下方，绝缘陶瓷防止相应用电部位漏电及固定相应部件，复合钠钙硅玻璃、阳极、阴极、加热装置、纳米Ag颗粒、热电偶、绝缘陶瓷都位于不锈钢盒子内部且控制热极化过程中的气氛与气压，加热装置将由第一控制器实现控制，第一控制器与电脑连接并记录加热的具体过程，直流电压将由第二控制器实现控制，第二控制器与电脑连接并记录所加电压与电流的具体过程，不锈钢盒子上设有气体进出口。
[0006]优选地，所述钠钙硅玻璃的厚度为I mm，复合钠钙硅玻璃经过Ag+- Na+的离子交换，将Ag+引入到复合钠钙硅玻璃表面，之后经过400 V和出气氛下，还原法热处理之后在玻璃两个表面分别得到一层厚度达10 mm、粒径20?30 nm的纳米Ag颗粒掺杂的玻璃，其中一个侧面则通过12% HF处理，将厚度大约10 mm的表面腐蚀掉。
[0007]优选地，所述加热装置为电阻丝加热炉，工作温度在0-400°C之间。
[0008]优选地，所述阳极是由聚焦离子束或激光器制备得到具有显微图案的Si片电极，显微图案的网格常数分别为50、20、10、5、1、0.5和0.3 mm，之后采用磁控溅射镀上一层30nm的铬膜，用于防止热极化过程中发生Si片与复合钠钙硅玻璃发生阳极键合而不能分离的问题;所述阴极为普通Si片。
[0009]优选地，所述阳极和阴极之间所加的直流电压在O?5 kV范围内连续可调。
[0010]优选地，所述加热装置的温度在O?400 °C内连续可调，升温速度在O?20 °C/min连续可调。
[0011]本发明采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的方法，其包括以下步骤: 步骤一、将具有显微图案且镀铬膜的Si片作阳极连接正极、单侧面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃、普通硅作阴极连接负极固定好，接好加热电源，盖上不锈钢盖子；
步骤二、将不锈钢盒子的导管和真空栗与Ar瓶子分别相连，通过真空栗将不锈钢盒子抽真空至5 Pa，需要时间20 min，之后关闭真空栗，往不锈钢盒子内填入Ar气至大气压1.01MPa，排除空气中的水汽等对热极化的影响；
步骤三、在程序控制下，利用热传导的加热装置以10 °C/min速度从室温加热表面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃至150?300 °C保温，一般在加电场之前预先保温15 min，确保玻璃样品的温度均匀性；
步骤四、在保持所需温度150?300 °(:的情况下，通过带有周期性显微图案的Si片作阳极和普通Si片作阴极外加直流电压0.2?2.0 kV持续5至60 min，一般加电压到所需电压稳定后，电流开始衰减直至O A，通过电脑软件同时记录电压和电流的变化，以备实验或生产所需；
步骤五、待到达所需时间5至60 min后，停止加热装置加热，让复合钠钙硅玻璃冷却至室温，但此过程同时保持步骤四所加的直流电压；
步骤六、待到达所需温度后，撤去极化所用的直流电压，打开不锈钢盖子，小心取出样品，采用He-Ne激光辐照，验证玻璃样品的透过模式的衍射图案，得到所需的衍射光学元件；步骤七、换一块表面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃、采用不同的热极化电压、温度、时间和带有不同周期性显微图案的Si片作阳极，并返回步骤一。
[0012]优选地，所述衍射光学元件采用He-Ne激光辐照测试衍射性能。
[0013]本发明的积极进步效果在于:该采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备中采用显微图案电极，该电极的显微图案分辨率可达微米甚至纳米级别，有利于所需样品微结构形貌在较大范围可选，且可以重复使用将所需图案印在样品上。该采用显微图案电极热极化制备方法可以一次性在样品表面制备出大面积所需的微结构，且微结构的形貌尺寸最小为0.3 mm，小于可见光波长时不受光的衍射影响，样品表面微结构的尺寸可控，微结构的成分可调，相对于传统材料科学研究手段其衍射光学元件制备效率可提高数倍至数十倍。
【附图说明】
[0014]图1为本发明采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0016]如图1所示，本发明采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备包括复合钠钙硅玻璃1、阳极2、阴极3、加热装置4、纳米Ag颗粒5、热电偶6、绝缘陶瓷7、不锈钢盒子8、第一控制器9、电脑10、第二控制器11、气体进出口 12，阳极2、阴极3分别位于复合钠钙硅玻璃I的两侧，纳米Ag颗粒5位于复合钠钙硅玻璃I的表面，热电偶6位于阴极3的正下方，绝缘陶瓷防止相应用电部位漏电及固定相应部件，复合钠钙硅玻璃1、阳极2、阴极3、加热装置4、纳米Ag颗粒5、热电偶6、绝缘陶瓷7都位于不锈钢盒子8内部且可以控制热极化过程中的气氛与气压，加热装置4将由第一控制器9实现控制，第一控制器与电脑10连接并记录加热的具体过程，直流电压将由第二控制器11实现控制，第二控制器11与电脑10连接并记录所加电压与电流的具体过程，不锈钢盒子8上设有气体进出口 12。
[0017]所述加热装置为电阻丝加热炉，工作温度在0-400°C之间。
[0018]所述复合钠钙硅玻璃I的厚度为Imm，复合钠钙硅玻璃经过Ag+- Na+的离子交换，将Ag+引入到复合钠钙硅玻璃表面，之后经过400 °(:和出气氛下，还原法热处理之后在玻璃两个表面分别得到一层厚度达10 mm、粒径20?30 nm的纳米Ag颗粒5掺杂的玻璃，其中一个侧面则通过12% HF处理，将厚度大约10 mm的表面腐蚀掉。所述阳极2由聚焦离子束或激光器制备得到具有显微图案的31片电极，显微图案的网格常数分别为50、20、10、5、1、0.5和
0.3 mm，之后采用磁控溅射镀上一层30 nm的铬膜，用于防止热极化过程中发生Si片与复合钠钙硅玻璃发生阳极键合而不能分离的问题，该电极的显微图案分辨率可达微米甚至纳米级别，有利于所需样品微结构形貌在较大范围可选，且可以重复使用将所需图案印在样品上。该采用显微图案电极热极化制备方法可以一次性在样品表面制备出大面积所需的微结构。所述阳极和阴极之间所加的直流电压在O?5 kV范围内连续可调，在固定的工作温度和小于击穿电压的情况下，越大的工作电压，所需的热极化时间越短，可以根据实际需求在较大的选择工作电压。所述加热装置的温度在O?400 °C内连续可调，升温速度在O?20 °C/min连续可调在小于击穿电压的情况下，越大的工作温度，所需的热极化时间越短，可以根据实际需求在较大的选择工作温度。所述阴极为普通Si片，这样可以降低成本。
[0019]本发明可实现多种纳米/微米级显微结构的衍射光学元件，可以通过调整热极化电压、温度、时间和Si阳极上的显微图案的周期性与形貌来电压达到控制样品的周期性与形貌。该设备可以一次实现大面积纳米/微米级显微结构的衍射光学元件，相对传统材料制备效率可提高数倍至数十倍。
[0020]本发明采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的方法包括如下步骤以下步骤:
步骤一、将具有显微图案且镀铬膜的Si片作阳极连接正极、单侧面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃(其具有纳米Ag的侧面面向阳极)、普通硅作阴极连接负极等按图1固定好，接好加热电源，盖上不锈钢盖子；
步骤二、将不锈钢盒子的导管和真空栗与Ar瓶子分别相连，通过真空栗将不锈钢盒子抽真空至5 Pa，需要时间20 min，之后关闭真空栗，往不锈钢盒子内填入Ar气至大气压1.01MPa，排除空气中的水汽等对热极化的影响；
步骤三、在程序控制下，利用热传导的加热装置以10 °C/min速度从室温加热表面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃至150?300 °C保温，一般在加电场之前预先保温15 min，确保玻璃样品的温度均匀性；
步骤四、在保持所需温度150?300 °(:的情况下，通过带有周期性显微图案的Si片作阳极和普通Si片作阴极外加直流电压0.2?2.0 kV持续5至60 min，一般加电压到所需电压稳定后，电流开始衰减直至O A，通过电脑软件同时记录电压和电流的变化，以备实验或生产所需；
步骤五、待到达所需时间5至60 min后，停止加热装置加热，让复合钠钙硅玻璃冷却至室温，但此过程同时保持步骤四所加的直流电压；
步骤六、待到达所需温度后，撤去极化所用的直流电压，打开不锈钢盖子，小心取出样品，采用He-Ne激光(波长为632 nm)辐照，验证玻璃样品的透过模式的衍射图案，得到所需的衍射光学元件；
步骤七、换一块表面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃、采用不同的热极化电压、温度、时间和带有不同周期性显微图案的Si片作阳极，并返回步骤一。
[0021]本发明通过热场和周期性电场设备实现多种纳米/微米级显微结构的衍射光学元件。通过调整热极化电压、温度、时间和Si阳极上的显微图案的周期性与形貌来达到控制样品的周期性与形貌。该设备可以一次实现大面积纳米/微米级显微结构的衍射光学元件，相对传统材料制备效率可提高数倍至数十倍。衍射光学元件采用He-Ne激光(波长为632 nm)辐照测试衍射性能，可以得到透过模式的衍射图案。根据衍射图案的效果进而对热极化的关键因素:电极的显微图案、热极化电压、温度、时间等进行优化。
[0022]以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，其包括复合钠钙硅玻璃、阳极、阴极、加热装置、纳米Ag颗粒、热电偶、绝缘陶瓷、不锈钢盒子、第一控制器、电脑、第二控制器、气体进出口，阳极、阴极分别位于复合钠钙硅玻璃的两侧，纳米Ag颗粒位于复合钠钙硅玻璃的表面，热电偶位于阴极的正下方，绝缘陶瓷防止相应用电部位漏电及固定相应部件，复合钠钙硅玻璃、阳极、阴极、加热装置、纳米Ag颗粒、热电偶、绝缘陶瓷都位于不锈钢盒子内部且控制热极化过程中的气氛与气压，加热装置将由第一控制器实现控制，第一控制器与电脑连接并记录加热的具体过程，直流电压将由第二控制器实现控制，第二控制器与电脑连接并记录所加电压与电流的具体过程，不锈钢盒子上设有气体进出□ O2.如权利要求1所述的采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，所述钠钙硅玻璃的厚度为I mm，复合钠钙硅玻璃经过Ag+- Na+的离子交换，将Ag+引入到复合钠钙硅玻璃表面，之后经过400 V和出气氛下，还原法热处理之后在玻璃两个表面分别得到一层厚度达10 mm、粒径20?30 nm的纳米Ag颗粒掺杂的玻璃，其中一个侧面则通过12%HF处理，将厚度大约10 mm的表面腐蚀掉。3.如权利要求1所述的采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，所述加热装置为电阻丝加热炉，工作温度在0-400 °C之间。4.如权利要求1所述的采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，所述阳极是由聚焦离子束或激光器制备得到具有显微图案的Si片电极，显微图案的网格常数分别为50、20、10、5、1、0.5和0.3 mm，之后采用磁控溅射镀上一层30 nm的铬膜，用于防止热极化过程中发生Si片与复合钠钙硅玻璃发生阳极键合而不能分离的问题;所述阴极为普通Si片。5.如权利要求1所述的采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，所述阳极和阴极之间所加的直流电压在0~5 kV范围内连续可调。6.如权利要求1所述的采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的设备，其特征在于，所述加热装置的温度在O?400 °C内连续可调，升温速度在O?20 °C/min连续可调。7.—种采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤一、将具有显微图案且镀铬膜的Si片作阳极连接正极、单侧面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃、普通硅作阴极连接负极固定好，接好加热电源，盖上不锈钢盖子； 步骤二、将不锈钢盒子的导管和真空栗与Ar瓶子分别相连，通过真空栗将不锈钢盒子抽真空至5 Pa，需要时间20 min，之后关闭真空栗，往不锈钢盒子内填入Ar气至大气压1.01MPa，排除空气中的水汽对热极化的影响； 步骤三、在程序控制下，利用热传导的加热装置以10 °C/min速度从室温加热表面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃至150?300 °C保温，一般在加电场之前预先保温15 min，确保玻璃样品的温度均匀性； 步骤四、在保持所需温度150?300 °(:的情况下，通过带有周期性显微图案的Si片作阳极和普通Si片作阴极外加直流电压0.2?2.0 kV持续5至60 min，一般加电压到所需电压稳定后，电流开始衰减直至O A，通过电脑软件同时记录电压和电流的变化，以备实验或生产所需； 步骤五、待到达所需时间5至60 min后，停止加热装置加热，让复合钠钙硅玻璃冷却至室温，但此过程同时保持步骤四所加的直流电压； 步骤六、待到达所需温度后，撤去极化所用的直流电压，打开不锈钢盖子，小心取出样品，采用He-Ne激光辐照，验证玻璃样品的透过模式的衍射图案，得到所需的衍射光学元件；步骤七、换一块表面带有纳米Ag的钠钙硅玻璃、采用不同的热极化电压、温度、时间和带有不同周期性显微图案的Si片作阳极，并返回步骤一。8.根据权利要求7所述的采用显微图案电极热极化制备衍射光学元件的方法，其特征在于，所述衍射光学元件采用He-Ne激光辐照测试衍射性能。
【文档编号】G02B5/18GK105842767SQ201610286749
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】杨光, 陈宏飞, 罗宏杰, 高彦峰
【申请人】上海大学