[發(fā)明專利]一種內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件及其制造方法

有效

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• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN109901250B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣維濤;劉紅忠;鄭祥文;王赫男;張雅君
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件及其制造方法，光學(xué)元件包括母體，母體內(nèi)部設(shè)有納米粒子，納米粒子呈可控的三維結(jié)構(gòu)化排布，利用納米粒子與母體透光率、反射率、折射率參數(shù)的不同，實現(xiàn)對可見光的聚焦等調(diào)制；制造方法是先確定入射波長、母液和納米粒子，然后確定光學(xué)元件對光路的調(diào)制方式，再通過仿真計算出納米粒子應(yīng)有的周期型排列方式，然后將納米粒子置于母液中，攪拌或超聲波水浴使納米粒子在母液中均勻分布；再將結(jié)構(gòu)場施于含有納米粒子的母液，對納米粒子進(jìn)行操控，實現(xiàn)納米粒子在母液中可控的三維結(jié)構(gòu)化排布；最后將母液固化成型為母體，得到內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件；本發(fā)明具有可設(shè)計性、調(diào)制簡單、成本低等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納制造納米結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件及其制造方法。

背景技術(shù)

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)透鏡作為一種很典型的光學(xué)器件得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在幾何光學(xué)框架下,傳統(tǒng)光學(xué)成像透鏡受到嚴(yán)格幾何關(guān)系限制,需要依賴透鏡表面形狀和天然的光學(xué)材料來實現(xiàn)折反射成像,導(dǎo)致光學(xué)透鏡設(shè)計自由度低、體積質(zhì)量大,不利于光電子技術(shù)及應(yīng)用的集成化、輕量化和微型化發(fā)展需求。隨著納米制備技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)成像技術(shù)則再次迎來了新的飛躍。通過在透鏡表面上做一些微納結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)在納米尺度下的精準(zhǔn)光場調(diào)控,包括波長、振幅、相位、偏振等。與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡相比,由納米結(jié)構(gòu)組成的平面透鏡,結(jié)合了傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)與現(xiàn)代光學(xué)超材料技術(shù),具有調(diào)控自由度高、光學(xué)特性豐富、輕量化和集成化程度高等明顯的優(yōu)勢。

雖然在透鏡表面做微納結(jié)構(gòu)具有重量輕，厚度極薄等優(yōu)點，但其所使用的材料大多為金屬或高折射率介質(zhì)材料,如金和硅,其在表面做微結(jié)構(gòu)的工藝需要經(jīng)歷涂膠、曝光、顯影、刻蝕等光刻步驟，步驟繁瑣，所需材料成本高。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件及其制造方法，具有可設(shè)計性、調(diào)制簡單、成本低等優(yōu)點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件，包括母體，母體內(nèi)部設(shè)有納米粒子，納米粒子呈可控的三維結(jié)構(gòu)化排布，三維結(jié)構(gòu)化排布通過仿真計算預(yù)先設(shè)計，利用納米粒子與母體透光率、反射率、折射率參數(shù)的不同，實現(xiàn)對可見光的聚焦、發(fā)散、反射或衍射的調(diào)制。

所述的母體通過母液固化而成，母液為可光固化的樹脂類材料，或可熱固化的有機(jī)聚合物類材料。

所述的納米粒子是粒徑為100nm—30μm的絕緣的磁性粒子，或在磁場中能夠被磁化的膠體粒子，或在電場中能夠被極化的介電粒子。

所述的納米粒子是二氧化硅粒子、聚苯乙烯粒子或聚苯烯小球。

所述的納米粒子的三維結(jié)構(gòu)化排布通過改變光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)場參數(shù)來操控。

所述的納米粒子的三維結(jié)構(gòu)化排布的具體形式為直線型、弧面型、半球面形或正四面體型。

所述的內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件厚度為20μm-50mm。

所述的一種內(nèi)部含有結(jié)構(gòu)化納米粒子的光學(xué)元件的制造方法，包括以下步驟：

1)在可見光380nm-780nm波長范圍內(nèi)確定入射波長λ，在粘度1×10^-3Pa·s—2×10¹Pa·s范圍內(nèi)選擇母液，選擇納米粒子，確定光學(xué)元件對光路的調(diào)制方式；

2)根據(jù)選擇的母液、納米粒子，通過仿真計算出納米粒子應(yīng)有的周期型排列方式；

3)將納米粒子置于母液中，攪拌或超聲波水浴使納米粒子在母液中均勻分布；

4)將結(jié)構(gòu)場施于含有納米粒子的母液，對納米粒子進(jìn)行操控，實現(xiàn)納米粒子在母液中可控的三維結(jié)構(gòu)化排布；