基于石墨烯/PDMS的可調(diào)光柵的結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值模擬

王飛雷 張周強(qiáng)

摘 要

基于石墨烯（GNP）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的可調(diào)光柵在近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下具有大的調(diào)諧范圍，但是當(dāng)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)，其調(diào)諧范圍會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。本文采用數(shù)值模擬的方法研究了在近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其調(diào)諧范圍的影響。研究結(jié)果表明：GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度參數(shù)的變化會(huì)改變光柵的調(diào)諧范圍，當(dāng)GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度增加時(shí)，光柵的調(diào)諧范圍變小。

關(guān)鍵詞

可調(diào)光柵;結(jié)構(gòu)分析;可調(diào)范圍;GNP/PDMS

中圖分類號(hào)： TN253 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 33

0 前言

傳統(tǒng)的光柵由于其光柵周期不可變，應(yīng)用受到了一定的限制，隨著各種柔性材料的出現(xiàn)，可調(diào)光柵的研究逐漸受到了研究人員的重視?；谌嵝圆牧现谱鞯目烧{(diào)光柵具有應(yīng)變大和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)外部激勵(lì)改變光柵周期，具有更好的應(yīng)用前景[1]。王飛等人提出了一種基于石墨烯與聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料的可調(diào)透射光柵，近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下光柵結(jié)構(gòu)在3s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)2.7%的連續(xù)周期調(diào)諧，具有響應(yīng)速度快，功耗小等優(yōu)點(diǎn)[2]。張周強(qiáng)等人使用石墨烯與PDMS復(fù)合材料制備了可調(diào)光柵，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了近紅外光在不同方向驅(qū)動(dòng)時(shí)光柵周期的變化規(guī)律[3]。

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了光驅(qū)動(dòng)條件下可調(diào)光柵結(jié)構(gòu)改變對(duì)光柵周期變化的影響。其中可調(diào)光柵為單層薄膜，薄膜兩側(cè)為基于GNP/PDMS復(fù)合材料的驅(qū)動(dòng)部分，中間為執(zhí)行部分的PDMS薄膜。使用COMSOL軟件建立了可調(diào)光柵模型，改變驅(qū)動(dòng)部分的長(zhǎng)度參數(shù)，并模擬了不同結(jié)構(gòu)的可調(diào)光柵在近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下光柵周期的變化。模擬結(jié)果顯示當(dāng)改變GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度參數(shù)時(shí)，光柵周期會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而影響了可調(diào)光柵的調(diào)諧范圍。

1 可調(diào)光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文使用的可調(diào)光柵結(jié)構(gòu)主要由基于聚合物復(fù)合材料的單層薄膜組成，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。光柵驅(qū)動(dòng)部分位于薄膜兩側(cè)，由分散均勻的GNP/PDMS復(fù)合材料混合物制成并由近紅外光驅(qū)動(dòng)（其中GNP占2wt%）。執(zhí)行部分位于薄膜中間，是刻有光柵柵線的PDMS薄膜材料，其中柵線的寬度為2mm，兩條柵線之間的距離為2mm。由圖1可知，L1、L2分別表示執(zhí)行部分與驅(qū)動(dòng)部分的長(zhǎng)度，L、W、H分別表示可調(diào)光柵薄膜的長(zhǎng)、寬和厚度。

根據(jù)預(yù)應(yīng)變的不同，GNP/PDMS復(fù)合材料薄膜在808nm近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下將呈現(xiàn)不同的變化狀態(tài)。本文在近紅外光驅(qū)動(dòng)之前對(duì)薄膜施加40%的預(yù)應(yīng)變，該條件下GNP/PDMS薄膜被紅外光驅(qū)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生可逆收縮變形，從而引起執(zhí)行部分光柵周期的變化。本文通過(guò)改變GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度參數(shù)，對(duì)可調(diào)光柵模型進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析，其中可調(diào)光柵的模型參數(shù)如表1所示。

2 可調(diào)光柵模擬分析

石墨烯良好的光熱轉(zhuǎn)化能力使得GNP/PDMS薄膜在近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下產(chǎn)生快速變形，其光機(jī)械響應(yīng)在5s左右達(dá)到飽和[4]。其中近紅外光源輸出的激光熱通量服從高斯函數(shù)分布，因此模擬過(guò)程中選擇高斯分布熱源模型。GNP/PDMS薄膜表面的功率密度設(shè)置為0.22W·cm-2，并設(shè)置光驅(qū)動(dòng)時(shí)間為5s。

根據(jù)表格1的參數(shù)建立可調(diào)光柵模型，并使用COMSOL軟件模擬了在40%預(yù)應(yīng)變條件下光柵薄膜的結(jié)構(gòu)變化。在該變化的基礎(chǔ)上，模擬了具有不同GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度的可調(diào)光柵在近紅外光驅(qū)動(dòng)條件下的響應(yīng)。光驅(qū)動(dòng)5s時(shí)間內(nèi)，GNP/PDMS薄膜的溫度變化如圖2（a）所示。由圖可知，GNP/PDMS薄膜的溫度隨光驅(qū)動(dòng)時(shí)間的增加而升高，與GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。然而GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度參數(shù)越小，其溫度升高的越快，且在5s時(shí)的最終溫度值也越大。GNP/PDMS薄膜在5s時(shí)的溫度與薄膜長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2（b）所示，并使用三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合如下：

T=B0+B1L2+B2L22+B3L23（1）

式中：L2為GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度，T為溫度，B0，B1，B2，B3均為常數(shù)。由圖2（b）可知，當(dāng)光驅(qū)動(dòng)5s時(shí)，長(zhǎng)度為20mm的GNP/PDMS薄膜溫度最低為186.85°C，長(zhǎng)度為14mm的GNP/PDMS薄膜溫度升高最快，最高溫度達(dá)到306.85°C。

當(dāng)GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度變化時(shí)，在近紅外光照射條件下其表面溫度具有不同的變化。而當(dāng)GNP/PDMS薄膜溫度不同時(shí)，由于石墨烯良好的熱機(jī)械效應(yīng)，可調(diào)光柵的光柵周期也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如圖2（c）所示。由圖可知，光柵周期的變化量隨時(shí)間的增加而變大，同樣與GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。光柵周期的變化量與GNP/PDMS薄膜溫度的變化趨勢(shì)相似，即GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度參數(shù)越小，對(duì)應(yīng)的可調(diào)光柵的光柵周期變化幅值越大。光柵周期的最大變化量與GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度可用多項(xiàng)式擬合如下：

Δd=B0+B1L2+B2L22+B3L32（2）

式中：Δd為光柵周期變化量。由圖2（d）可知，光柵周期的變化量隨著GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度的增加而減小。在近紅外光照射條件下，當(dāng)GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度為14mm時(shí)，光柵周期變化量在5s達(dá)到最大為240.1nm，當(dāng)GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度為20mm時(shí)，光柵周期的最大變化量為135.4nm。

3 結(jié)論

本文采用COMSOL軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的可調(diào)光柵進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了GNP/PDMS薄膜的長(zhǎng)度參數(shù)改變對(duì)光柵周期的影響。結(jié)果表明，光柵周期的變化量隨著GNP/PDMS薄膜長(zhǎng)度參數(shù)的增大而變小，當(dāng)GNP/PDMS的長(zhǎng)度從14mm變化到20mm時(shí)，GNP/PDMS薄膜的最高溫度降低了120°C，光柵周期變化量減小了104.7nm。

參考文獻(xiàn)

[1]Krishnan M B， Rosset S， Bhattacharya S， et al. Fabrication of transmissive dielectric elastomer actuator driven tunable optical gratings with improved tunability[J]. Optical Engineering，2016，55（4）：047104.

[2]Wang F， Jia S， Wang Y， et al. Near-infrared light-controlled tunable grating based on graphene/elastomer composites[J].Optical Materials， 2018， 76：117-124.

[3]張周強(qiáng)，王飛雷，胥光申，劉學(xué)婧，曹亞斌，閔渭興.采用石墨烯/聚二甲基硅氧烷的可調(diào)光柵設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，53（09）：129-136.

[4]Loomis J， King B， Burkhead T， et al. Graphene-nanoplatelet-based photomechanical actuators[J].Nanotechnology，2012，23（4）：045501.