[发明专利]纳米结构材料的制造

说明书

本发明涉及一种用于纳米结构材料的制造方法以及由其形成的纳米结 构器件。本发明对于光学领域具有特别的适用性。

发明背景

微米尺度表面浮凸元件的设计和制造是成熟和高度灵活的技术。当前 的制造技术包括掩模的激光写入和电子束写入，随后光刻和蚀刻，或直接 激光和电子束写入。例如，Mohammad R.Taghizadeh等在1994年12月的 IEEE微处理机与微型计算机杂志(IEEE Micro)的第14卷，第6期，第10-19 页中描述了一种制备衍射光学元件的技术。然而，这些已知技术的分辨率 受到限制。这意味着不可能容易地制造许多小尺度的器件。另外，大多数 的已知技术不适于相对高生产量的应用。

发明概述

根据本发明的一个方面，提供一种用于制造复合材料/器件的方法，所 述方法包括将至少两种不同材料的纤维或棒堆叠在一起，以及拉伸所述纤 维。

通过重复拉伸所述纤维或棒，可以制造小尺度的复合器件。实际上， 可以制备具有纳米尺度特征，例如尺寸小于100nm的特征的器件。

本发明的技术特别适于小尺度光学元件的制造。在此情况下，材料可 以是电介质，并且可以具有不同的折射率。

通过不同光学材料的适当分布，可以得到具有任意折射率的梯度折射 (gradient index)率材料。这在新的折射、微-光学和衍射元件例如梯度折射 率透镜或任何的衍射光学元件(DOE)的设计和形成中是特别有用的。

该方法可以包括，加热纤维或棒，使得它们熔融在一起，从而充分填 满它们之间的任何间隙或孔。

本发明可以被用于制备很多不同的器件，例如1D和2D阵列、单个的 微透镜、光子带隙材料和纳米结构DOE。

附图简述

现在将仅通过实施例并且参考附图描述本发明的不同方面，在所述附 图中：

图1是显示用于制造纳米尺度光学器件的步骤的流程图；

图2是使用图1的技术制造出的光学器件的横截面；

图3(a)是在直径为40微米的理想1D抛物线梯度折射率透镜的焦平面 上的强度分布的模拟；

图3(b)是在图3(a)透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟；

图4(a)是在直径为40微米的纳米结构微透镜的焦平面上的模拟强度分 布；

图4(b)是在图4(a)透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟；

图5(a)是直径为10微米的理想2D抛物线梯度透镜的表示；

图5(b)是被设计具有与图5(a)的透镜相同的性质的纳米结构透镜的表 示；

图6(a)显示在图5(b)的纳米结构微透镜的焦平面上的强度分布的模拟， 和

图6(b)显示在图5(b)的透镜的焦平面上的焦点的横截面的模拟。

附图详述

本发明基于公认的“堆叠并拉伸(stack and draw)”制造方法，所述制造 方法当前用于成像板和双玻璃光子晶体的制备。此方法示例于图1中。该 堆叠并拉伸方法之前仅被用于拉伸相同组成的材料。相反，在本发明中， 使用许多不同的材料，从而形成复合材料以及由这样的复合材料形成的器 件。

制造从宏观的预型体的组装开始，所述宏观的预型体具有与最终材料 中所期望的结构和图案相同的结构和图案。为了制备这样的宏观预型体， 如图1B中所示例，优选将大量的棒或纤维例如玻璃棒或纤维，以期望的 结构和图案堆叠在一起。这些棒可以使用标准拉伸技术或任何其它的适当 技术制造。棒或纤维应当优选具有类似的直径，优选约1mm，并且是热 匹配的，使得它们的热膨胀系数、软化点和转变温度应当接近。当这些条 件满足时，最终材料将具有最小的内部张力，并且在采用玻璃棒的情况下， 具有类似于单片玻璃板的机械性质。