[发明专利]一种基于左手材料的楔形光波导的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种楔形光波导的制备方法，特别涉及一种基于左手材料且对可见光具有特殊响应的楔形光波导的制备方法。

背景技术

左手材料(Left-handed metamaterials，LHMs)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期性结构材料，由于在其中传播的电磁波的相速度和群速度方向相反，因而表现出一系列反常的电磁特性，如负折射效应、反常多普勒效应及完美透镜效应等。随着大量理论研究工作的进行，左手材料的一些新奇特性逐渐为人们所认识。新的理论研究结果表明，当光穿过掺杂有微小的不同形状和排列方式的金属透明介质时，光的传播方式会发生改变。“Trapped rainbow”模型从理论上证明了一种以左手材料为芯并且沿轴向变化的异质结构能够有效而连贯地使光波完全停顿。根据“Trapped rainbow”模型，不同频率的光波停止在不同厚度的波导处，从而导致了光波谱的空间分离和“捕获彩虹”的形成。

目前，制备光频段左手材料主要使用的是“自上而下”的物理刻蚀技术，但是这种方法设备昂贵、工艺复杂、制备成本高，而且制备样品的尺寸只能达到平方微米量级，因而极大地限制了光频段左手材料的研究和应用。而“自下而上”的化学电沉积方法则可以通过控制实验条件，更容易地实现纳米尺度金属结构的制备，从而为光频段左手材料的研究与应用提供了一种新途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于左手材料的楔形光波导的制备方法。这种制备方法是以透明的氧化铟锡导电玻璃(ITO导电玻璃)为基底，在基底上镀一层PVA薄膜，加热使PVA薄膜固化。然后采用化学电沉积法在处理后的基底上制备银树枝状结构，再在制备的银树枝状结构表面涂覆一层PVA薄膜。另取一片ITO导电玻璃，在其上多次涂覆PVA薄膜，并且每次涂覆过程中逐渐缩短PVA薄膜的长度，从而得到一种近似楔形结构的PVA绝缘膜。将二者面向叠合即得到了一种中间层为左手材料的楔形光波导。取一片采用上述方法制备的表面涂覆PVA薄膜的银树枝状结构，将其与一片未涂覆PVA薄膜的银树枝状结构面向叠合组装成多层结构左手材料。然后将两片多层结构左手材料样品以0.3°～1.5°的夹角搭成两端开口的楔角结构，则得到一种两边为左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导。

附图说明

图1楔形光波导的制备过程示意图

(a)中间层为左手材料的楔形光波导

(b)两边为多层结构左手材料，中间部分为空气层的楔形光波导

图2纳米银树枝状结构的化学电沉积制备装置示意图

图3沉积电压为0.9V，沉积时间为90s时制备的银树枝状结构的SEM照片

图4楔形光波导样品I的透射率曲线

图5楔形光波导样品II所采用的两片多层结构左手材料的透射率曲线

(a)夹在两层导电玻璃之间的三层有机膜的透射曲线(对应右边纵坐标)

(b)多层结构左手材料样品1(对应左边纵坐标)

(c)多层结构左手材料样品2(对应左边纵坐标)

图6光束平行入射到楔形光波导样品I，在垂直于样品表面方向上的光学测试曲线

图7光束平行入射到楔形光波导样品II，在垂直于样品表面方向上的光学测试曲线

具体实施方式

1.PVA溶液的配制：准确称取2.5g聚乙烯醇(分析纯)置于500ml烧杯中，加入500ml超纯水，搅拌加热至沸腾，待聚乙烯醇(PVA)全部溶解后停止加热，冷却至室温后转入500ml容量瓶，并补加超纯水至刻度(加热溶解时有部分水分被蒸发)，即得质量分数为0.5％的PVA溶液。

2.ITO导电玻璃基底的处理：将大块ITO导电玻璃用皂粉和超纯水充分清洗，然后采用滴涂法，以质量分数为0.5％的PVA超纯水溶液作为涂液，在其导电面上涂覆一层均匀的PVA薄膜，放在真空干燥箱内室温晾干。把镀膜后的ITO玻璃放在电热鼓风干燥箱内，在170℃下加热30min，使PVA薄膜脱脂醚化而不溶于水。冷却后切割成1cm×5cm的小片。

3.电解液的制备：将1.2g聚乙二醇-20000加入5mL超纯水中，充分溶解，在混合液中加入5ml硝酸银溶液(质量分数16.7％)，在冰浴条件下低速搅拌溶解，同时将混合液置于白炽灯下照射20min～50min，然后将其转入棕色磨口试剂瓶，在避光、4℃下陈化24h以上，即可得到电解液。