專利名稱：磁流體光柵的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光柵，特別涉及一種衍射效率可調的磁流體光柵。
背景技術：
光柵在光學領域是個重要的器件，光柵器件通常用來對激光束調制、偏 轉、濾波、等。光柵的應用領域非常廣泛，包括集成光學、聲光學、光譜學、 光通訊，等等。目前所普遍采用的光柵都具有固定的周期、固定的折射率和 吸收系數調制，因此它們各階衍射光的衍射效率是固定不變的。因此，對于 一個已經制作好的光柵，只能應用于特定的場合或特定的參數環境。若能制 作出一種光柵，其周期、折射率調制或者吸收系數調制能隨外界因素實時改 變，則其各階衍射光的衍射效率將也隨之發生改變。這種光柵的可調諧衍射 特性，可用來制作可調諧光子器件，在光通訊領域具有很好的應用價值。
目前已發現磁流體的折射率和吸收系數隨著外磁場的強度的變化而變
化，參考，如，Yang等，Applied Physics Letters, Volume 84， 5204 (2004) 禾口 Horng等，Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 252， 104 (2002)。磁流體的這種特性用來制作光柵，可實現衍射效率可調的功能， 具有很好的應用價值。但經過對現有技術文獻進行檢索發現，還不曾有利用 磁流體來制作光柵的技術和磁流體光柵的器件。有鑒于此，開發出磁流體光 柵、 一種衍射效率可在線調節的光柵具有十分重要的意義。
發明內容
本發明是針對傳統光柵衍射效應固定不變，不可調節，運用面狹窄的問 題，提出了一種磁流體光柵，利用外磁場的強度來控制磁流體的折射率和吸收系數，進而使得磁流體光柵的折射率調制和吸收系數調制隨外磁場的改變 而改變，實現磁流體光柵衍射效率可調的特性。
本發明的技術方案為 一種磁流體光柵，所述磁流體光柵包括一個周期 性凹槽、 一種磁流體、 一個光學透明的剛性覆蓋層及一個磁場產生裝置，磁 流體填入周期性凹槽的各個凹槽中，光學透明的剛性覆蓋層將磁流體密封在 周期性凹槽中，磁場產生裝置置于周期性凹槽外，磁場產生裝置通電后在磁 流體所在的位置產生均勻、可調的磁場，用于改變磁流體的折射率和吸收系 數。
所述的周期性凹槽是在光學透明的剛性襯底上用帶折射率的光學材料隔 成一個個凹槽，制作凹槽的方法采用蝕刻法。所述磁流體，由表面包覆活性 劑的磁性微粒和用于分散磁性顆粒的液相載液組成。所述周期性凹槽的深度
在lpm—lOiim之間、寬度在lpm—200iim之間。所述光學透明的剛性襯底和光 學透明的剛性覆蓋層為石英(Si02)、光學玻璃。所述的周期性凹槽的周期A、 深度d、入射光波長入和磁流體光柵的平均折射率n。滿足關系式 271入(3/(:^\)2〈〈1薄光柵條件，形狀選用矩形、鋸齒形、余弦形。所述的磁流 體的磁性微粒選用四氧化三鐵(Fe304)、三氧化二鐵(Fe203)、錳鋅鐵氧體，表 面活性劑選用油酸、亞油酸、橄欖油，液相載液選用水、煤油。所述的磁場 產生裝置包括一個或一對螺線圈和一個可調直流恒流源，該可調直流恒流源 用于給電磁鐵或螺線圈供電，其輸出電流的大小控制電磁鐵磁場或螺線圈感 應磁場的強度。所述的磁場產生裝置產生的磁場平行于襯底或覆蓋層的表面、 并且垂直于凹槽的長邊側壁。
本發明的有益效果在于本發明將磁流體這一液相磁性物質用來制作光柵，利用磁流體的折射率和吸收系數隨外磁場強度變化的特點，通過外磁場 即可控制光柵的衍射光效率，從而實現了衍射效率可調的光柵。實現了可在 線、實時調節指定階次衍射光的衍射效率，為光通訊和光子器件領域的性能 提高提供了新的方法。
圖1為本發明磁流體光柵的周期性凹槽示意圖2為本發明磁流體光柵的整體結構示意圖3為本發明磁流體光柵的折射率分布和吸收系數分布示意圖4為本發明實施例的周期性凹槽的顯微照片實物圖5為本發明實施例的磁流體光柵的顯微照片實物圖6為本發明實施例的磁流體光柵在不同磁場強度下的衍射圖樣。
具體實施例方式
圖1為磁流體光柵的周期性凹槽示意圖，周期性凹槽是在光學透明的剛
性襯底1上用帶折射率的材料3隔成一個個凹槽2，隔制凹槽的材料3可根據
光柵設計的需要選擇恰當折射率的光學材料，制作凹槽的方法可采用蝕刻法。
圖2為磁流體光柵的整體結構示意圖，其包括 一個周期性的凹槽，一 種磁流體5， 一個光學透明的剛性覆蓋層4;外帶一個磁場產生裝置，磁流體
5填入周期性的凹槽的各個凹槽2中，光學透明的剛性覆蓋層4蓋在上面，將
磁流體密封在周期性凹槽中，磁場產生裝置置于周期性凹槽外，通電后產生
的磁場平行于所述的襯底1(或覆蓋層4)的表面、并且垂直于周期性凹槽的各 個凹槽長邊側壁11。所述的周期性凹槽中的凹槽2深度在lpm—10^之間、寬度在 lpm—200^im之間、形狀可為矩形、鋸齒形、余弦形。同時要求所述的周期性 凹槽的周期A、深度d、入射光波長X和所述的磁流體光柵的平均折射率n。滿 足關系式27^d/( n。A)2《l(即薄光柵條件)。
所述的光學透明的剛性襯底1和光學透明的剛性覆蓋層4可選用石英 (Si02)、光學玻璃。
所述的磁流體5的磁性微粒可選用四氧化三鐵(Fe304)、三氧化二鐵 (Fe203)、錳鋅鐵氧體，表面活性劑可選用油酸、亞油酸、橄欖油，液相載液 可選用水、煤油。
所述的磁場產生裝置包括一個電磁鐵(或一對螺線圈)6、 7和一個可調直 流恒流源8，可調直流恒流源8用于給電磁鐵(或螺線圈)6、 7通電，利用可 調直流恒流源8的輸出電流的大小來控制電磁鐵(或螺線圈)6、 7的磁場強度。
下面將具體描述本發明衍射效率可調的磁流體光柵的工作原理 參見圖2，當可調直流恒流源8輸出電流為零時，電磁鐵(或螺線圈)6、 7 不產生磁場，入射光束9經過磁流體光柵時會發生衍射，各階衍射光束10的 衍射效率都是確定的。當可調直流恒流源8輸出電流給電磁鐵(或螺線圈)6、 7時，磁流體5的折射率和吸收系數將發生變化，從而使得磁流體光柵的折射 率和吸收系數變化，如圖3磁流體光柵的折射率分布和吸收系數分布示意圖 所示，折射率從圖中12變為圖中13，吸收系數從圖中14變為圖中15，最終 導致磁流體光柵的衍射光束10的衍射效率將發生變化。并且磁流體光柵的折 射率和吸收系數變化大小與電磁鐵(或螺線圈)6、 7產生的磁場強度成正比， 即與可調直流恒流源8輸出電流大小成正比，進而可以通過連續改變可調直流恒流源8輸出電流大小來連續地改變衍射光束10的衍射效率，實現衍射效 率連續可調的光柵的功能。
下面將用實施例作進一步的說明
首先用甩膠臺在一干凈的載玻片上旋涂4|Lim厚的光刻膠，該載玻片用作
光學透明的剛性襯底1，該光刻膠用作周期性凹槽的材料。利用掩模光刻的方
法在光刻膠上刻出周期為21)Lim、占空比為50%的矩形周期性凹槽2，然后后烘 使得剩余的光刻膠堅硬結實，用作構成隔制凹槽的材料3。該實施例所制作的 周期性凹槽的顯微照片如圖4所示。將磁流體5填入上述周期性凹槽2中， 并在其上用另一個干凈的載玻片蓋住，將磁流體5密封在其中，該載玻片用 作光學透明的剛性覆蓋層4。此即形成磁流體光柵，如圖5所示，為該實施例 所制作的磁流體光柵的顯微照片。采用圖2所示的裝置觀察所制作出的磁流 體光柵的可調衍射效率，讓波長為632. 8nm的He-Ne激光束9垂直照射所制 作出的磁流體光柵，利用磁場產生裝置產生不同強度的磁場，觀察不同磁場 強度下的磁流體光柵的衍射光束10的衍射效率。在不同的磁場強度下，利用 激光功率計測量出入射光束9和各階衍射光束10的功率，即可定量地得出各 階衍射光10的衍射效率。該實施例中的磁流體光柵在四種不同磁場強度下的 衍射圖樣如圖6所示。
實驗表明當磁場強度增加時，零階衍射光的衍射效率減小，而高階衍 射光的衍射效率增大，明顯地觀察到零階衍射光的能量轉移到高階衍射光上 去。反之，當磁場強度減小時，高階衍射光的衍射效率減小，而零階衍射光 的衍射效率增大，明顯地觀察到高階衍射光的能量轉移到零階衍射光上去。 在該實施例中，當磁場強度由0 0e增大到500 0e時，觀察到零階衍射光和一階衍射光的衍射效率之比由10. 46變化到0. 27。
上述的實施例只被用來提供舉例說明本發明，但并不局限這項發明所涵 括的范圍。其它有關本發明的變化，對于一個具有平常技巧的專業人員而言， 是容易且明顯的。這些依據本發明精神的等效物和變型，都應包含在本發明 所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種磁流體光柵，其特征在于所述磁流體光柵包括一個周期性凹槽、一種磁流體、一個光學透明的剛性覆蓋層及一個磁場產生裝置，磁流體填入周期性凹槽的各個凹槽中，光學透明的剛性覆蓋層將磁流體密封在周期性凹槽中，磁場產生裝置置于周期性凹槽外，磁場產生裝置通電后在磁流體所在的位置產生均勻、可調的磁場，用于改變磁流體的折射率和吸收系數。
2. 根據權利要求1所述的磁流體光柵，其特征在于所述的周期性凹槽是在光學透明的剛性襯底上用帶折射率的材料隔成一個個凹槽，制作凹槽的方法采 用蝕刻法。
3. 根據權利要求1所述的磁流體光柵，其特征在于所述磁流體，由表面包覆 活性劑的磁性微粒和用于分散磁性顆粒的液相載液組成。
4. 根據權利要求1、 2所述的磁流體光柵，其特征在于所述周期性凹槽的深 度在l|mn—10,之間、寬度在l]um—200jim之間。
5. 根據權利要求1、 2所述的磁流體光柵，其特征在于所述光學透明的剛性 襯底和光學透明的剛性覆蓋層為石英(Si02)、光學玻璃。
6. 根據權利要求1、 2、 3、 4所述的磁流體光柵，其特征在于，所述的周期 性凹槽的周期A、深度d、入射光波長X和磁流體光柵的平均折射率n。滿足關 系式27rM/( n。A)2《l薄光柵條件。
7. 根據權利要求1、 2、 4、 6所述的磁流體光柵，其特征在于所述的周期性 凹槽的形狀選用矩形、鋸齒形、余弦形。
8. 根據權利要求1、 3所述的磁流體光柵，其特征在于所述的磁流體的磁性 微粒選用四氧化三鐵(FeA)、三氧化二鐵(FeA)、錳鋅鐵氧體，表面活性劑選用油酸、亞油酸、橄欖油，液相載液選用水、煤油。
9. 根據權利要求1所述的磁流體光柵，其特征在于所述的磁場產生裝置包括 電磁鐵或一對螺線圈和一個可調直流恒流源，該可調直流恒流源用于給電磁 鐵或螺線圈供電，其輸出電流的大小控制電磁鐵磁場或螺線圈感應磁場的強 度。
10. 根據權利要求1、 9所述的磁流體光柵，其特征在于，所述的磁場產生裝 置產生的磁場平行于襯底或覆蓋層的表面、并且垂直于凹槽的長邊側壁。
全文摘要
本發明涉及一種磁流體光柵，包括一個周期性凹槽，一種磁流體，將其填入周期性凹槽中，一個光學透明的剛性覆蓋層，用其將磁流體密封在周期性凹槽中，及一個磁場產生裝置，其在磁流體所在的位置產生均勻磁場，用于改變磁流體的折射率和吸收系數。該磁流體光柵利用外磁場來控制磁流體的折射率和吸收系數，使得磁流體光柵的折射率調制和吸收系數調制隨外磁場的改變而改變，進而實現衍射效率可由外磁場調節的特性。這種衍射效率可調的光柵，可用來制作新型的可調諧光子器件，如光束偏轉器、光調制器、光開關，在光子器件和光通訊領域具有很好的應用前景。
文檔編號H01F7/08GK101303423SQ20081003520
公開日2008年11月12日 申請日期2008年3月27日 優先權日2008年3月27日
發明者卜勝利, 陳險峰 申請人:上海理工大學