基于石墨烯/PDMS的可調光柵的結構分析與數值模擬

王飛雷 張周強

摘 要

基于石墨烯（GNP）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的可調光柵在近紅外光驅動條件下具有大的調諧范圍，但是當光柵結構參數改變時，其調諧范圍會產生相應的變化。本文采用數值模擬的方法研究了在近紅外光驅動條件下光柵的結構參數對其調諧范圍的影響。研究結果表明：GNP/PDMS薄膜的長度參數的變化會改變光柵的調諧范圍，當GNP/PDMS薄膜的長度增加時，光柵的調諧范圍變小。

關鍵詞

可調光柵;結構分析;可調范圍;GNP/PDMS

中圖分類號： TN253 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

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

0 前言

傳統的光柵由于其光柵周期不可變，應用受到了一定的限制，隨著各種柔性材料的出現，可調光柵的研究逐漸受到了研究人員的重視。基于柔性材料制作的可調光柵具有應變大和結構簡單等優點，可通過外部激勵改變光柵周期，具有更好的應用前景[1]。王飛等人提出了一種基于石墨烯與聚二甲基硅氧烷復合材料的可調透射光柵，近紅外光驅動條件下光柵結構在3s內可實現2.7%的連續周期調諧，具有響應速度快，功耗小等優點[2]。張周強等人使用石墨烯與PDMS復合材料制備了可調光柵，并通過數值模擬的方法研究了近紅外光在不同方向驅動時光柵周期的變化規律[3]。

本文采用數值模擬的方法研究了光驅動條件下可調光柵結構改變對光柵周期變化的影響。其中可調光柵為單層薄膜，薄膜兩側為基于GNP/PDMS復合材料的驅動部分，中間為執行部分的PDMS薄膜。使用COMSOL軟件建立了可調光柵模型，改變驅動部分的長度參數，并模擬了不同結構的可調光柵在近紅外光驅動條件下光柵周期的變化。模擬結果顯示當改變GNP/PDMS薄膜的長度參數時，光柵周期會產生相應的變化，從而影響了可調光柵的調諧范圍。

1 可調光柵結構設計

本文使用的可調光柵結構主要由基于聚合物復合材料的單層薄膜組成，其結構模型如圖1所示。光柵驅動部分位于薄膜兩側，由分散均勻的GNP/PDMS復合材料混合物制成并由近紅外光驅動（其中GNP占2wt%）。執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分別表示執行部分與驅動部分的長度，L、W、H分別表示可調光柵薄膜的長、寬和厚度。

根據預應變的不同，GNP/PDMS復合材料薄膜在808nm近紅外光驅動條件下將呈現不同的變化狀態。本文在近紅外光驅動之前對薄膜施加40%的預應變，該條件下GNP/PDMS薄膜被紅外光驅動會產生可逆收縮變形，從而引起執行部分光柵周期的變化。本文通過改變GNP/PDMS薄膜的長度參數，對可調光柵模型進行數值模擬和對比分析，其中可調光柵的模型參數如表1所示。

2 可調光柵模擬分析

石墨烯良好的光熱轉化能力使得GNP/PDMS薄膜在近紅外光驅動條件下產生快速變形，其光機械響應在5s左右達到飽和[4]。其中近紅外光源輸出的激光熱通量服從高斯函數分布，因此模擬過程中選擇高斯分布熱源模型。GNP/PDMS薄膜表面的功率密度設置為0.22W·cm-2，并設置光驅動時間為5s。

根據表格1的參數建立可調光柵模型，并使用COMSOL軟件模擬了在40%預應變條件下光柵薄膜的結構變化。在該變化的基礎上，模擬了具有不同GNP/PDMS薄膜長度的可調光柵在近紅外光驅動條件下的響應。光驅動5s時間內，GNP/PDMS薄膜的溫度變化如圖2（a）所示。由圖可知，GNP/PDMS薄膜的溫度隨光驅動時間的增加而升高，與GNP/PDMS薄膜長度無關。然而GNP/PDMS薄膜的長度參數越小，其溫度升高的越快，且在5s時的最終溫度值也越大。GNP/PDMS薄膜在5s時的溫度與薄膜長度的對應關系如圖2（b）所示，并使用三次多項式函數擬合如下：

T=B0+B1L2+B2L22+B3L23（1）

式中：L2為GNP/PDMS薄膜的長度，T為溫度，B0，B1，B2，B3均為常數。由圖2（b）可知，當光驅動5s時，長度為20mm的GNP/PDMS薄膜溫度最低為186.85°C，長度為14mm的GNP/PDMS薄膜溫度升高最快，最高溫度達到306.85°C。

當GNP/PDMS薄膜長度變化時，在近紅外光照射條件下其表面溫度具有不同的變化。而當GNP/PDMS薄膜溫度不同時，由于石墨烯良好的熱機械效應，可調光柵的光柵周期也會產生相應的變化，如圖2（c）所示。由圖可知，光柵周期的變化量隨時間的增加而變大，同樣與GNP/PDMS薄膜長度無關。光柵周期的變化量與GNP/PDMS薄膜溫度的變化趨勢相似，即GNP/PDMS薄膜的長度參數越小，對應的可調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薄膜的長度可用多項式擬合如下：

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薄膜長度的增加而減小。在近紅外光照射條件下，當GNP/PDMS薄膜長度為14mm時，光柵周期變化量在5s達到最大為240.1nm，當GNP/PDMS薄膜長度為20mm時，光柵周期的最大變化量為135.4nm。

3 結論

本文采用COMSOL軟件對不同結構參數的可調光柵進行了數值模擬分析，研究了GNP/PDMS薄膜的長度參數改變對光柵周期的影響。結果表明，光柵周期的變化量隨著GNP/PDMS薄膜長度參數的增大而變小，當GNP/PDMS的長度從14mm變化到20mm時，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

[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，王飛雷，胥光申，劉學婧，曹亞斌，閔渭興.采用石墨烯/聚二甲基硅氧烷的可調光柵設計及仿真計算[J].西安交通大學學報，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.