纳米结构材料的制造制造技术

本发明专利技术公开了一种用于制造复合材料／器件例如梯度折射率透镜或任何ＤＯＥ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，以及拉伸所述纤维或棒。使用此方法，可以容易地制造具有纳米尺度特征的器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米结构材料的制造本专利技术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。本专利技术对于光学领域具有特别的适用性。
技术介绍
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(IEEEMicro)的第14巻，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 的己知技术不适于相对高生产量的应用。专利技术概述根据本专利技术的一个方面，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lOOnm的特征的器件。本专利技术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。本专利技术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专利技术的不同方面，在所述附图中附图说明图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。 附图详述本专利技术基于公认的"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，在本专利技术中， 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1 mm，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。成束的棒被加热到足以使它们软化并粘合在--起，并且允许将它们拉 伸成一个单棒的温度。拉伸可以在任意适当的拉伸结构中进行。在使用玻璃纤维的情况下，此结构可以是纤维-拉伸塔(fiber-drawingtower)。对于玻 璃，此塔的温度应当在1200至1600摄氏度的区域内。在拉伸以后，此拉 伸的棒可以被固化并且被切割成许多中间预型体。然后这些中间预型体被 捆扎在-一起，以形成如图ld中所示例的最终图案。通过下列方法加工此 束状物以产生如图le中所示例的最终的纳米结构预型体施加充分的热 以将预型体粘合在一起，随后通过将经加热的预型体牵引穿过拉伸结构而 '拉伸'材料。此最终结构预型体可以具有纳米特征尺寸。在必要或期望时，可以重复堆叠和拉伸步骤，或可以将许多的不同最 终纳米结构的预型体组合，以制备结构的阵列，而非单个结构。在此情况 下，将最终纳米结构预型体切割许多次，或制造许多的不同最终纳米结构 的预型体，并且将所得到的预型体捆扎在一起，如上所述通过施加热和拉 伸来加工，以得到由纳米结构预型体的阵列即纳米结构预型体阵列组成的 单棒。在使用玻璃棒和纤维拉伸塔的情况下，此纤维拉伸塔的温度应当在 1200至1600摄氏度的范围内。最后，如图lf中所示例的，将基本上为棒形式的纳米结构预型体或纳 米结构预型体阵列切割成具有根据期望的设计功能性的长度的段，以得到 最终的纳米结构材料。此步骤并非在每一种情况中都是必须的。如果纳米 结构预型体或纳米结构预型体阵列己经具有足够的长度，则可能不需要切 割，并且可以被认为是最终的纳米结构材料，而不需要任何的进一步操作。 必要时，如图lg中所示例的，然后可以将该材料抛光。此外，此步骤并 非在每一种情况中都是必须的，仅在如果要将最终的纳米结构材料用作光 透射器件，而它们的末端的精度(quality)不足以允许光的进入和离开的情 况下才是必须的。例如，如果施加到材料的切割具有足够高的精度，则可以根本不需要任何抛光。为了开发使用其中体现了本专利技术的技术的新的光学元件，首先必须模拟期望的器件性质。这可以例如通过计算元件的相位剖面(phase profile), 优选连续相位剖面来进行。连续的相位剖面的具备导致最佳的性能输出。 这是因为它更接近于常规器件例如透镜的剖面，而非二元相结构。相差可 以大于2兀。 一旦确定相位剖面，就计算纳米尺寸元件以2D矩阵形式的分 布。在此阶段，通过设计最终需要的元件并且将需要的相分布转化成折射 率分布，以确定体积介电材料(volume dielectric material)的光学性质。然后 可以将此折射率分布用作确定要在拉伸方法中使用的各种预型体的不同 材料的位置和分布的基础。 一旦器件被模拟，就如上所述制造预型体，并 且将其用于制备中间预型体。然后，拉伸中间预型体并且形成纳米结构预 型体。然后，最终纳米结构预型体被切割、捆扎、加热并且拉伸，并且随 后被切割成具有适合用于纳米结构光学元件的长度的片(plate)。必要时，将切割表面抛光，以得到光学性能。图2显示了根据本专利技术制造的纳米结构透镜的实例。如可以看到，其 具有平坦的光学表面，并且由许多具有不同折射率的材料形成。该材料具 有穿过并且沿整个器件的光学路径延伸的柱的形式。如上所指出的，通过 适当地设计和选择不同材料的分布，可以提供任意的光学功能。这相比于 现有技术具有许多优点。具有平坦的表面意味着，可以容易地对器件进行 进一步加工，例如，进行抛光或涂料的涂敷。同样地，在一些情形下，器 件不需要进一步的加工。这可能是相对于制造例如凹透镜或凸透镜的常规 技术的一个显著优点，这样的常规技术需要使用精心的成型和抛光技术。为/将使川本专利技术制造的纳米结构微透镜的性质与'理想的'抛物线标本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，以及拉伸所述纤维或棒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德礼萨塔希查代，理夏德布克兹伊斯基，
申请(专利权)人：赫瑞瓦特大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]