一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置及方法

本发明属于光学纳波导，具体涉及一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置及方法。

背景技术：

1、受益于强光场约束、低传输损耗、小尺寸等特点，光学导波纳米带在模式检测、光通信等领域具有广泛应用。其中聚合物、玻璃等非晶纳米带因其与光纤光学系统的高耦合、高集成特性，具有重要的应用价值。目前，光学纳米带主要通过化学气相沉积、光刻等cmos加工方法制备得到：1)对于化学气相沉积制备方法，通常基于过饱和析出原理，在高温、惰性气体保护等条件下，通过原材料固-液-气不同相态的转化实现纳米带的制备；2)对于cmos加工方法，通常采用光刻、ebl等半导体加工工艺，在半导体薄膜上刻蚀得到纳米带结构。上述方法均可以获得高度在1μm以下的光学导波纳米带，但受限于制备原理，在原材料选择上有所限制，无法对某些聚合物等高分子材料进行制备与加工。此外，上述制备方法需要高温炉或光刻机等大型设备，制备成本较高。

技术实现思路

1、针对上述无法对某些聚合物等高分子材料进行制备与加工的技术问题，本发明提供了一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置及方法，可用于聚合物、玻璃等非晶光学导波纳米带的精密制备。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，包括温度传感器、ccd相机、加热板、电控加热台、加热台控制器和计算机，所述温度传感器与电控加热台相连接，所述ccd相机的镜头正对加热板，所述ccd相机通过电缆与计算机电性连接，所述电热板设置在电控加热台上，所述电控加热台通过控制电缆与加热台控制器电性连接。

4、所述加热板上固定有纳米光纤，所述纳米光纤设置在加热板的几何中心上。

5、所述加热板的最高加热温度大于纳米光纤材料热熔融所需最低温度。

6、所述纳米光纤材料为聚合物或玻璃等非晶材料，所述纳米光纤的直径＜1μm，所述纳米光纤的中心区域长度＞10μm。

7、所述温度传感器的测温范围为0～500℃，所述加热板的可承受温度为600℃。

8、所述ccd相机的成像频率＞60hz，所述ccd相机的成像线分辨＜300nm。

9、所述温度传感器的最高测量温度大于等于加热板的最高温度，所述温度传感器采用热电偶或光学红外测温仪。

10、一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备方法，包括下列步骤：

11、s1、将待加工纳米光纤置于加热板上；

12、s2、调整ccd相机的位置，使其在计算机上清晰成像，打开加热台控制器的开关，并设置加热板的温度；

13、s3、随着温度缓慢升高并达到材料热熔热温度，纳米光纤熔融发生形状改变，通过调整温度和加热时间，能够控制材料的熔融状态，从而制备出不同宽高比的纳米带；

14、s4、在制备过程中使用ccd相机进行实时监控，以便精确控制纳米带形貌结构。

15、所述s3中调整温度和加热时间的方法为：

16、纳米光纤在受热形变过程中，其加热时间与材料的热传导系数、初始温差有关，温度和加热时间表示为：

17、t(t)＝a+[t―a]e―kt

18、其中，t(t)表示纳米光纤温度，a表示加热板温度，t表示纳米光纤初始温度，t表示加热时间，k表示导热系数；

19、纳米光纤在加热过程中，体积会有一定的膨胀，并影响到制备得到的纳米带的截面面积，热膨胀与材料的种类和温度有关，不同材料有不同的膨胀系数，热膨胀系数的表达式为：

20、β＝(1/v)(dv/dt)

21、其中：β表示热膨胀系数，v表示初始体积，dv表示体积变化量，dt表示温度变化量。

22、所述s4中精确控制纳米带形貌结构的方法为：

23、在纳米光纤受热形变过程中，纳米光纤的截面形状由圆形逐渐变化为宽高比＞10的近似矩形，过程中截面面积保持不变，表示为：

24、s1＝πr2

25、s2＝ab

26、s1＝s2

27、其中，r表示柱形横截面半径，s1为圆形面积，a,b分别为近似矩形的两条边长，s2为矩形面积；在塌陷过程中，其a,b会相应发生变化，得到如下公式：

28、sn＝(an―1―δan)×(bn―1―δbn)

29、加热时间越长，纳米光纤在重力作用下向下塌陷越明显，所获得纳米带矩形截面的宽高比越大；在制备过程中，通过检测ccd相机在计算机屏幕所成图像对纳米带的形状进行监控，并实时调整控制器实现对加热板的反馈控制。

30、本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

31、本发明利用聚合物、玻璃受热熔融，基于精密温度控制，实现纳米带结构尺寸的精确控制，解决了聚合物光学导波纳米带精密制备问题。本发明无需高温炉、光刻机等大型设备，以及惰性气体、光刻胶等辅助元料，具有尺寸可控、成本低、适用范围广、制备时间短、重复率高等特点，有利于实现聚合物光学导波纳米带在集成化光通信等领域的产业化推广。

技术特征：

1.一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：包括温度传感器(1)、ccd相机(2)、加热板(3)、电控加热台(4)、加热台控制器(5)和计算机(6)，所述温度传感器(1)与电控加热台(4)相连接，所述ccd相机(2)的镜头正对加热板(3)，所述ccd相机(2)通过电缆与计算机(6)电性连接，所述电热板(3)设置在电控加热台(4)上，所述电控加热台(4)通过控制电缆与加热台控制器(5)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：所述加热板(3)上固定有纳米光纤(7)，所述纳米光纤(7)设置在加热板(3)的几何中心上。

3.根据权利要求2所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：所述加热板(3)的最高加热温度大于纳米光纤(7)材料热熔融所需最低温度。

4.根据权利要求2所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：所述纳米光纤(7)材料为聚合物或玻璃等非晶材料，所述纳米光纤(7)的直径＜1μm，所述纳米光纤(7)的中心区域长度＞10μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：所述温度传感器(1)的测温范围为0～500℃，所述加热板(3)的可承受温度为600℃。

6.根据权利要求1所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：所述ccd相机(2)的成像频率＞60hz，所述ccd相机(2)的成像线分辨＜300nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置，其特征在于：所述温度传感器(1)的最高测量温度大于等于加热板(3)的最高温度，所述温度传感器(1)采用热电偶或光学红外测温仪。

8.一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备方法，其特征在于：所述s3中调整温度和加热时间的方法为：

10.根据权利要求8所述的一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备方法，其特征在于：所述s4中精确控制纳米带形貌结构的方法为：

技术总结
本发明属于光学纳波导技术领域，具体涉及一种基于可控热熔解的光学波导纳米带制备装置及方法，包括温度传感器、CCD相机、加热板、电控加热台、加热台控制器和计算机，所述温度传感器与电控加热台相连接，所述CCD相机的镜头正对加热板，所述CCD相机通过电缆与计算机电性连接，所述电热板设置在电控加热台上，所述电控加热台通过控制电缆与加热台控制器电性连接。本发明无需高温炉、光刻机等大型设备，以及惰性气体、光刻胶等辅助元料，具有尺寸可控、成本低、适用范围广、制备时间短、重复率高等特点，有利于实现聚合物光学导波纳米带在集成化光通信等领域的产业化推广。

技术研发人员：辛晨光,张云飞,郭丽君,李孟委
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25