專利名稱：Pmma/dr1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多針電暈極化場結(jié)構(gòu)，尤其是涉及一種針對PMMA/DR1聚合物改 性薄膜的四針均勻分布電暈極化場結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著波導(dǎo)制備技術(shù)和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，以及在光通信和光計(jì)算機(jī)等新興 技術(shù)的推動下，有關(guān)介質(zhì)波導(dǎo)中的非線性光學(xué)性能的研究受到越來越廣泛的關(guān)注，近年來 在理論和實(shí)踐兩個(gè)方面都已獲得了相當(dāng)大的進(jìn)展。其中，極化聚合物材料具有非線性系數(shù) 高、電容率低、易加工處理、與現(xiàn)有集成工藝相兼容等特點(diǎn)，因而在集成光學(xué)特別是光通信 器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。極化聚合物以高分子骨架作為非線性光學(xué)分子的載體，在 高壓電場或光電場的極化下使非線性分子沿電場方向取向，產(chǎn)生宏觀非中心對稱結(jié)構(gòu)，從 而獲得非線性光學(xué)性能。當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用的極化方法主要有接觸式電極極化、電 暈極化、高壓極化、光輔助電場極化和全光極化等幾種，其中全光極化和電暈極化是目前比 較成熟的極化手段。 電暈極化的基本原理是在針狀電極或線狀電極與底面電極間加上足夠高的電壓 ( 一般為3 15kV，依距離、膜的厚度及其耐壓性而定)，針與下電極并不直接接觸，且通過 改變兩者之間距離可改變外加電場強(qiáng)度，而周圍空氣的離子化會導(dǎo)致電荷沉積在薄膜樣品 表面，造成很強(qiáng)的薄膜內(nèi)部電場從而產(chǎn)生顯著極化效應(yīng)。 具體極化過程為首先將薄膜加溫至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近，使生色團(tuán)分子可以自 由的轉(zhuǎn)動，此時(shí)施加直流電場，使得分子偶極矩因外加電場作用而產(chǎn)生力矩轉(zhuǎn)動，此力矩將 使分子順著外加電場的方向排列；然后，外加電場維持不移除而將薄膜降溫，誘發(fā)出的電極 化密度就會被凍結(jié)起來。 均勻大尺寸極化場可用多片電極組合得到，而片狀電極同理可以用針狀陣列近似 或者針狀平面陣列來替代的。有限厚度的單針電暈極化存在極化不均勻和極化范圍有限的 缺陷，而單電極的高與針寬對電暈極化場的影響十分有限。多片(針)結(jié)構(gòu)能在均勻化電 暈極化場的同時(shí)，降低極化電壓；在極化電壓不變的情況下，提高取向序參數(shù)，提高極化效 率。有關(guān)多針的電暈極化場結(jié)構(gòu)，特別是針對PMMA基聚合物薄膜極化的具體實(shí)施技術(shù)未見 報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對PMMA/DR1聚合物改性薄膜的極化，極化對象為10wt% DR1 (分散紅1號)的P匿A(聚甲基丙烯酸甲酯)基主客體摻雜型聚合物改性薄膜，提供一 種能在均勻化電暈極化場的同時(shí)降低極化電壓，且在極化電壓不變的情況下能夠提高極化 效率的PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明設(shè)有4針電極排布，外圍的兩針電極對稱放置在邊緣，內(nèi)層的兩針電極對 稱放置于中心兩邊，外圍針電極到內(nèi)層針電極的距離為10 12mm;極化場中電極的電壓為3 4kV，薄膜上的底電極接地，電位為0V ;針電極與底電極之間的距離a采用目前電暈極 化中普遍使用的10mm，a與底電極的尺寸b成1 : 3 1 : 4。所述針電極的高度最好為20 30mm，針電極的橫截面直徑最好為1 2mm。
本發(fā)明利用有限差分法建立了電暈極化場模型，從而仿真分析不同針狀電極排列 的極化裝置結(jié)構(gòu)對電暈極化場的影響。最后還用針狀陣列進(jìn)行了相關(guān)的極化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證最 優(yōu)化的四針電極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使電暈極化場的均勻系數(shù)最小，并得到最優(yōu)化的針電極的 排布。 與現(xiàn)有的單針電極結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明為了達(dá)到同樣的薄膜序參數(shù)①，四針電極結(jié) 構(gòu)在均勻化電暈場的同時(shí)大大降低了極化電壓，減小了薄膜的損傷程度；在同樣的極化電 壓下，在允許的范圍內(nèi)將極大提高薄膜序參數(shù)①，即薄膜的二階非線性系數(shù)。研究表明，可 應(yīng)用于高速光波導(dǎo)器件和集成光路的極化聚合物薄膜波導(dǎo)，在降低極化條件的同時(shí)又能顯 著提高其極化效率并改善非線性光學(xué)性能，對于集成光學(xué)工程和應(yīng)用有著重要的意義。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。 圖2為四針電極電暈極化底電極附近場分布圖(c = 12mm)。在圖2中，橫坐標(biāo)為 底電極長度b ，縱坐標(biāo)為歸一化電場強(qiáng)度。 圖3為四針電極電暈極化c變化時(shí)均勻系數(shù)k變化趨勢圖。在圖3中，橫坐標(biāo)為 外圍電極與內(nèi)層電極的間距c (mm)，縱坐標(biāo)為最小均勻化系數(shù)K。 圖4為最小均勻化系數(shù)與針電極結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。在圖4中，橫坐標(biāo)為電極個(gè)數(shù)n，縱 坐標(biāo)為最小均勻化系數(shù)K。 圖5為針電極寬為lmm均勻系數(shù)k隨L變化趨勢圖。在圖5中，橫坐標(biāo)為針電極 高度L (mm)，縱坐標(biāo)為最小均勻化系數(shù)K。 圖6為針電極高為20mm均勻系數(shù)k隨針寬w變化趨勢圖。在圖6中，橫坐標(biāo)為針 電極橫截面直徑w (mm)，縱坐標(biāo)為最小均勻化系數(shù)K。 圖7為四針電極結(jié)構(gòu)取向序參數(shù)①隨極化電壓U的變化曲線。在圖7中，橫坐標(biāo) 為極化電壓U(kV)，縱坐標(biāo)為取向序參數(shù)①。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 步驟一，制備10wt% DR1的PMMA基主客體摻雜型聚合物改性薄膜樣品。同時(shí)，將 四針電極極化模型中外圍的兩個(gè)針電極置于左右邊界上，四針電極成對稱布局，如圖l所 示，外圍的兩針電極1和2對稱放置在邊緣，內(nèi)層的兩針電極3和4對稱放置于中心兩邊， 外圍針電極到內(nèi)層針電極的距離為10 12mm ;極化場中電極的電壓為3 4kV，薄膜上的 底電極5接地，電位為OV ;針電極與底電極之間的距離a采用目前電暈極化中普遍使用的 10mm，a與底電極的尺寸b成1 : 3 1 : 4。 步驟二，對四針電暈極化系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。具體操作如下 設(shè)定電極間距c = 12mm(參見圖1)，利用matlab (Matrix Laboratory數(shù)學(xué)軟件)
自帶的gradient()和quiver()函數(shù)可得到電暈極化場的場分布圖。如圖2所示，圖中坐標(biāo)上的每個(gè)刻度代表網(wǎng)格劃分的一個(gè)步長h，即0. lmm。沿水平方向，刻度從0至400代表 400個(gè)步長，表示底電極的總寬度40mm ;沿垂直方向，刻度1至1. 25表示測量點(diǎn)到底電極的 距離；場的大小等比例地表現(xiàn)為線的長短。 步驟三，電暈極化場場強(qiáng)最終可以通過改變極化電壓大小進(jìn)行線性的調(diào)整，因此 首先討論場分布的均勻化問題。定義均勻系數(shù)k為底電極附近場分布中場強(qiáng)的最大值除以 場強(qiáng)的最小值?？芍猭越小，場越均勻；且k > 1，當(dāng)k = 1時(shí)，底電極附近場強(qiáng)處處相等。
(1)不斷改變c，得到如圖3的k變化趨勢圖。從圖3中可知，四針電極結(jié)構(gòu)能將 均勻系數(shù)降到1.06左右。 (2)討論不同電級數(shù)目對場分布均勻化的影響。四針電極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了均勻 系數(shù)，均勻化電暈極化場，但與三針電極相比均勻系數(shù)減少的程度十分有限，均勻場分布的 能力已經(jīng)趨于飽和。如圖4所示為各種針電極結(jié)構(gòu)最低均勻系數(shù)關(guān)系圖，其中n代表針電 極的個(gè)數(shù)。 (3)在四針電極結(jié)構(gòu)下，針電極高度L與針電極橫截面直徑w對最小均勻化系數(shù)k
的影響如圖5與圖6所示。 步驟四，極化場仿真數(shù)據(jù)分析。 (1)對于目前普遍使用的針電極板放電模型而言，四針電極的結(jié)構(gòu)基本上能實(shí)現(xiàn) 最均勻的電暈極化場。 (2)從圖2可以求得L = 20mm， w = lmm四針電極結(jié)構(gòu)的最大歸一化電場強(qiáng)度為 5. 02，最小歸一化電場強(qiáng)度4. 79。已知同樣針電極尺寸的單針電極結(jié)構(gòu)最大歸一化電場強(qiáng) 度為2. 65?？傻盟尼橂姌O結(jié)構(gòu)的電場強(qiáng)度為同樣條件下單針電極結(jié)構(gòu)電場強(qiáng)度的1. 81至 1.89倍之間。 (3)從圖5與圖6可以看出在最優(yōu)四針電極結(jié)構(gòu)下當(dāng)L《40mm， w《2mm時(shí)針電
極高與針電極寬對極化場均勻性的影響是十分有限的。從圖中可以得出針電極高度為20mm
至30mm，針電極橫截面直徑為lmm至2mm時(shí)，更有利于電暈極化場的均勻性。 步驟五，將樣品進(jìn)行單針和四針電暈極化，具體極化實(shí)施方法如下 (1)將薄膜樣品、樣品臺和電暈電極一起放入干燥箱中，調(diào)試薄膜與電極針針尖的
間距為lOmm，高壓電源放置在干燥箱外；設(shè)定烘箱的溫度，在不加電壓的條件下緩慢加熱
至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度； (2)當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，打開高壓電源進(jìn)行極化；將樣品放置在加熱的底面 電極之上，在針狀電極與底面電極間加上足夠高的電壓；
(3)保持溫度和電壓，對樣品極化30min ; (4)最后，極化到規(guī)定的時(shí)間后，關(guān)掉溫控裝置，打開干燥箱，使樣品自然散熱至常 溫，同時(shí)保持高壓電源直至冷卻至室溫。 為與單針電極極化結(jié)構(gòu)對比，此處極化薄膜樣品仍然采用10wt^的PMMA/DRl，極 化溫度和極化時(shí)間分別設(shè)為95t:和30min。實(shí)驗(yàn)中使極化電壓逐漸變大，得到如圖7所示 的極化薄膜取向序參數(shù)隨極化電壓的變化曲線。 從圖中可得出，四針電極結(jié)構(gòu)用接近1/2的極化電壓可得到單針電極結(jié)構(gòu)相近的 取向序參數(shù)；而在相同的極化電壓下得到的取向序參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單針電極結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可 以避免薄膜的損傷程度，驗(yàn)證得到最佳極化結(jié)構(gòu)的效果。
權(quán)利要求
PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)，其特征在于設(shè)有4針電極排布，外圍的兩針電極對稱放置在邊緣，內(nèi)層的兩針電極對稱放置于中心兩邊，外圍針電極到內(nèi)層針電極的距離為10～12mm；極化場中電極的電壓為3～4kV，薄膜上的底電極接地，電位為0V；針電極與底電極之間的距離a采用目前電暈極化中普遍使用的10mm，a與底電極的尺寸b成1∶3～1∶4。
2. 如權(quán)利要求1所述的PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述針電極的高度為20 30mm。
3. 如權(quán)利要求1所述的PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)，其特征在于 針電極的橫截面直徑為1 2mm。
全文摘要
PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)，涉及一種多針電暈極化場結(jié)構(gòu)。提供一種能在均勻化電暈極化場的同時(shí)降低極化電壓，且在極化電壓不變的情況下能夠提高極化效率的PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多針電暈極化場結(jié)構(gòu)。設(shè)有4針電極排布，外圍的兩針電極對稱放置在邊緣，內(nèi)層的兩針電極對稱放置于中心兩邊，外圍針電極到內(nèi)層針電極的距離為10～12mm；極化場中電極的電壓為3～4kV，薄膜上的底電極接地，電位為0V；針電極與底電極之間的距離a采用目前電暈極化中普遍使用的10mm，a與底電極的尺寸b成1∶3～1∶4。
文檔編號G02F1/35GK101776831SQ20101011740
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者周建華, 林偉峰, 游佰強(qiáng), 熊兆賢, 王菁, 童朝健, 黃李琳 申請人:廈門大學(xué)