本發(fā)明涉及納米光子學和光學器件領域，具體涉及一種實現(xiàn)動態(tài)波長選擇性偏折的水凝膠超構光柵及其應用。

背景技術：

1、傳統(tǒng)的光學器件通常具有固定的光學特性，無法適應動態(tài)變化的環(huán)境或應用需求。近年來，隨著材料科學和微納加工技術的發(fā)展，基于活性材料的可調(diào)諧光學器件受到了廣泛關注?；钚圆牧?，如液晶、相變材料、導電聚合物等，因其對外部刺激(如電場、溫度、濕度等)響應而表現(xiàn)出光學性質(zhì)的變化，為實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)的光學器件提供了可能。特別是，法布里-珀羅(fabry-perot，fp)共振腔因其結構簡單、調(diào)控靈活而被廣泛研究。fp共振腔通過調(diào)整腔內(nèi)介質(zhì)的厚度，可以實現(xiàn)對共振波長的調(diào)控，從而在光學濾波、傳感器等領域展現(xiàn)出應用潛力。然而，現(xiàn)有的基于fp共振腔的器件多采用固態(tài)活性材料，其調(diào)控速度和范圍受到一定限制。此外，將多種物理機制集成到一個器件中以實現(xiàn)多功能調(diào)控仍然是一個技術挑戰(zhàn)。水凝膠作為一種具有高濕度響應性的軟材料，因其獨特的膨脹-收縮特性，在可調(diào)控光學器件中顯示出巨大潛力。但是，如何將水凝膠與微納光學結構有效結合，實現(xiàn)動態(tài)功能性集成器件，是開發(fā)新型主動式光學器件需要解決的關鍵問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提出了一種結合了法布里-珀羅(fp)共振和衍射效應的具有動態(tài)波長選擇性光束轉向和可調(diào)諧吸收特性的水凝膠基超構光柵器件。該器件利用水凝膠在電子束曝光下的收縮特性，通過直接圖案化技術實現(xiàn)水凝膠超構光柵的制造。并且基于水凝膠材料的濕度響應膨脹特性，實現(xiàn)了對光束的動態(tài)波長選擇性控制。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)動態(tài)波長選擇性偏折的水凝膠超構光柵，所述水凝膠超構光柵由頂層金屬薄膜-中間楔形水凝膠結構-底層金屬薄膜三層結構依次排布構成。

4、作為優(yōu)選方案，頂層金屬薄膜-中間楔形水凝膠結構-底層金屬薄膜的金屬為均選擇金或銀；水凝膠層為聚乙烯醇(polyvinyl?alcohol，pva)、聚丙烯酸paa或聚甲基丙烯酸pmaa中任一種，具有濕度響應性膨脹特性；

5、所述的頂層金屬薄膜-中間楔形水凝膠結構-底層金屬薄膜結構均為亞波長尺寸。

6、水凝膠層利用電子束曝光下的聚合物收縮特性，通過調(diào)整電子束曝光的劑量來控制水凝膠層的厚度，實現(xiàn)中間楔形水凝膠層的精確制備。

7、實現(xiàn)動態(tài)波長選擇性偏折的功能：當白光正入射到水凝膠超構光柵上時，在共振波長處存在吸收峰，同時共振波長附近的光波將被偏折到衍射級次，其他波長的光被垂直反射，實現(xiàn)了波長選擇性偏折；通過改變環(huán)境濕度，隨著共振波長的移動，能夠實現(xiàn)動態(tài)波長選擇性偏折的功能。

8、第二方面，本發(fā)明提供上述水凝膠超構光柵的應用，包括以下方面：

9、光學濾波，利用所述超構光柵的可調(diào)諧吸收特性來選擇性地過濾特定波長的光；

10、氣體傳感，通過監(jiān)測所述超構光柵器件對特定氣體的響應來檢測氣體成分；

11、光學成像，利用所述超構光柵的波長選擇性光束轉向特性來實現(xiàn)動態(tài)成像。

12、本發(fā)明中該水凝膠超構光柵不僅能夠實現(xiàn)波長選擇性偏折，還能夠進行動態(tài)吸收，集成多功能性使其可以應用于光學濾波、氣體傳感、光學成像等多個領域。

13、本發(fā)明通過結合法布里-珀羅(fp)共振和光柵衍射效應，實現(xiàn)了對白光中特定波長光的動態(tài)波長選擇性偏折。這種偏折是動態(tài)的，可以通過改變環(huán)境濕度來調(diào)整。水凝膠層具有濕度響應性膨脹特性，能夠通過環(huán)境濕度的變化來動態(tài)調(diào)整共振腔長，實現(xiàn)共振吸收峰的動態(tài)操控，具備動態(tài)可調(diào)性。

14、本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

15、1、通過結合法布里-珀羅(fp)共振和衍射效應，本發(fā)明的水凝膠超構光柵能夠在單一設備中實現(xiàn)吸收和波長選擇性偏折的動態(tài)操控，是一種新型的主動式功能集成微納光學器件。

16、2、水凝膠層的膨脹和收縮對環(huán)境濕度變化響應迅速，本發(fā)明的吸收峰波長可以快速調(diào)整，適合于需要快速光響應的應用。水凝膠超構光柵的吸收峰波長可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整范圍，這為精細的光譜控制提供了可能。

17、3、與傳統(tǒng)的光子器件相比，水凝膠材料成本較低，且直接圖案化技術減少了制造步驟，有助于降低整體成本。因為直接圖案化技術可以與現(xiàn)有的半導體光刻技術兼容，這有助于實現(xiàn)超構光柵的大規(guī)模生產(chǎn)。

技術特征：

1.一種實現(xiàn)動態(tài)波長選擇性偏折的水凝膠超構光柵，其特征在于：所述水凝膠超構光柵由頂層金屬薄膜-中間楔形水凝膠結構-底層金屬薄膜三層結構組成；通過調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，所述水凝膠超構光柵的中間楔形水凝膠層發(fā)生膨脹，能夠有效地調(diào)整共振腔長，實現(xiàn)共振吸收峰和波長選擇性偏折的動態(tài)操控。

2.如權利要求1所述的水凝膠超構光柵，其特征在于：所述水凝膠層具有劑量敏感的聚合物收縮特性，使得超構光柵能夠由電子束直寫制備。

3.如權利要求2所述的水凝膠超構光柵，其特征在于：所述頂層金屬薄膜-中間楔形水凝膠結構-底層金屬薄膜的金屬均選擇銀或金；所述水凝膠層為聚乙烯醇pva、聚丙烯酸paa或聚甲基丙烯酸pmaa中任一種。

4.如權利要求3所述的水凝膠超構光柵，其特征在于：所述頂層金屬薄膜-中間楔形水凝膠結構-底層金屬薄膜結構均為亞波長尺寸。

5.一種如權利要求3所述的水凝膠超構光柵在制備光學濾波器件方面的應用，其特征在于：所述光學濾波是指利用所述超構光柵的可調(diào)諧吸收特性來選擇性地過濾特定波長的光。

6.一種如權利要求3所述的水凝膠超構光柵在制備體傳感器件方面的應用，其特征在于：所述氣體傳感是指通過監(jiān)測所述超構光柵器件對濕度氣體的響應來檢測環(huán)境變化。

7.一種如權利要求3所述的水凝膠超構光柵在制備光學成像器件方面的應用，其特征在于：所述光學成像是指利用所述超構光柵的波長選擇性光束轉向特性來實現(xiàn)動態(tài)成像。

技術總結
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)動態(tài)波長選擇性偏折的水凝膠超構光柵及其應用。水凝膠超構光柵由頂層金屬薄膜?中間楔形水凝膠結構?底層金屬薄膜依次排布；水凝膠超構光柵集成了法布里?珀羅微腔共振和光柵衍射效應，當白光正入射到水凝膠超構光柵上時，在共振波長處存在吸收峰，同時共振波長附近的光波將被偏折到衍射級次，其他波長的光被垂直反射，實現(xiàn)了波長選擇性偏折的功能；通過改變環(huán)境濕度，中間楔形水凝膠層發(fā)生膨脹，有效地調(diào)整了水凝膠超構光柵的共振波長，能夠實現(xiàn)動態(tài)吸收和動態(tài)波長選擇性偏折的功能。本發(fā)明提出的水凝膠超構光柵實現(xiàn)了波長選擇性偏折，并兼具動態(tài)特性，可廣泛應用于動態(tài)光學濾波、氣體傳感、光學成像等領域。

技術研發(fā)人員：代塵杰,周倩倩,楊文星,水濤,徐德高,程書博,王成,董小鋒
受保護的技術使用者：長江大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2