PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多针电晕极化场结构 【技术领域】
本发明涉及一种多针电晕极化场结构，尤其是涉及一种针对PMMA/DR1聚合物改性薄膜的四针均匀分布电晕极化场结构。
背景技术
随着波导制备技术和半导体激光器技术的发展，以及在光通信和光计算机等新兴技术的推动下，有关介质波导中的非线性光学性能的研究受到越来越广泛的关注，近年来在理论和实践两个方面都已获得了相当大的进展。其中，极化聚合物材料具有非线性系数高、电容率低、易加工处理、与现有集成工艺相兼容等特点，因而在集成光学特别是光通信器件领域有着广阔的应用前景。极化聚合物以高分子骨架作为非线性光学分子的载体，在高压电场或光电场的极化下使非线性分子沿电场方向取向，产生宏观非中心对称结构，从而获得非线性光学性能。当今国内外学者广泛采用的极化方法主要有接触式电极极化、电晕极化、高压极化、光辅助电场极化和全光极化等几种，其中全光极化和电晕极化是目前比较成熟的极化手段。
电晕极化的基本原理是在针状电极或线状电极与底面电极间加上足够高的电压(一般为3～15kV，依距离、膜的厚度及其耐压性而定)，针与下电极并不直接接触，且通过改变两者之间距离可改变外加电场强度，而周围空气的离子化会导致电荷沉积在薄膜样品表面，造成很强的薄膜内部电场从而产生显著极化效应。
具体极化过程为：首先将薄膜加温至玻璃化转变温度附近，使生色团分子可以自由的转动，此时施加直流电场，使得分子偶极矩因外加电场作用而产生力矩转动，此力矩将使分子顺着外加电场的方向排列；然后，外加电场维持不移除而将薄膜降温，诱发出的电极化密度就会被冻结起来。
均匀大尺寸极化场可用多片电极组合得到，而片状电极同理可以用针状阵列近似或者针状平面阵列来替代的。有限厚度的单针电晕极化存在极化不均匀和极化范围有限的缺陷，而单电极的高与针宽对电晕极化场的影响十分有限。多片(针)结构能在均匀化电晕极化场的同时，降低极化电压；在极化电压不变的情况下，提高取向序参数，提高极化效率。有关多针的电晕极化场结构，特别是针对PMMA基聚合物薄膜极化的具体实施技术未见报道。
【发明内容】
本发明的目的在于针对PMMA/DR1聚合物改性薄膜的极化，极化对象为10wt％DR1(分散红1号)的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)基主客体掺杂型聚合物改性薄膜，提供一种能在均匀化电晕极化场的同时降低极化电压，且在极化电压不变的情况下能够提高极化效率的PMMA/DR1聚合物改性薄膜的多针电晕极化场结构。
本发明设有4针电极排布，外围的两针电极对称放置在边缘，内层的两针电极对称放置于中心两边，外围针电极到内层针电极的距离为10～12mm；极化场中电极的电压为3～4kV，薄膜上的底电极接地，电位为0V；针电极与底电极之间的距离a采用目前电晕极化中普遍使用的10mm，a与底电极的尺寸b成1∶3～1∶4。
所述针电极的高度最好为20～30mm，针电极的横截面直径最好为1～2mm。
本发明利用有限差分法建立了电晕极化场模型，从而仿真分析不同针状电极排列的极化装置结构对电晕极化场的影响。最后还用针状阵列进行了相关的极化实验，验证最优化的四针电极结构，该结构能使电晕极化场的均匀系数最小，并得到最优化的针电极的排布。
与现有的单针电极结构相比，本发明为了达到同样的薄膜序参数Φ，四针电极结构在均匀化电晕场的同时大大降低了极化电压，减小了薄膜的损伤程度；在同样的极化电压下，在允许的范围内将极大提高薄膜序参数Φ，即薄膜的二阶非线性系数。研究表明，可应用于高速光波导器件和集成光路的极化聚合物薄膜波导，在降低极化条件的同时又能显著提高其极化效率并改善非线性光学性能，对于集成光学工程和应用有着重要地意义。
【附图说明】
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为四针电极电晕极化底电极附近场分布图(c＝12mm)。在图2中，横坐标为底电极长度b，纵坐标为归一化电场强度。
图3为四针电极电晕极化c变化时均匀系数k变化趋势图。在图3中，横坐标为外围电极与内层电极的间距c(mm)，纵坐标为最小均匀化系数K。
图4为最小均匀化系数与针电极结构关系图。在图4中，横坐标为电极个数n，纵坐标为最小均匀化系数K。
图5为针电极宽为1mm均匀系数k随L变化趋势图。在图5中，横坐标为针电极高度L(mm)，纵坐标为最小均匀化系数K。
图6为针电极高为20mm均匀系数k随针宽w变化趋势图。在图6中，横坐标为针电极横截面直径w(mm)，纵坐标为最小均匀化系数K。
图7为四针电极结构取向序参数Φ随极化电压U的变化曲线。在图7中，横坐标为极化电压U(kV)，纵坐标为取向序参数Φ。
【具体实施方式】
以下将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
步骤一，制备10wt％DR1的PMMA基主客体掺杂型聚合物改性薄膜样品。同时，将四针电极极化模型中外围的两个针电极置于左右边界上，四针电极成对称布局，如图1所示，外围的两针电极1和2对称放置在边缘，内层的两针电极3和4对称放置于中心两边，外围针电极到内层针电极的距离为10～12mm；极化场中电极的电压为3～4kV，薄膜上的底电极5接地，电位为0V；针电极与底电极之间的距离a采用目前电晕极化中普遍使用的10mm，a与底电极的尺寸b成1∶3～1∶4。
步骤二，对四针电晕极化系统进行模拟仿真。具体操作如下：
设定电极间距c＝12mm(参见图1)，利用matlab(Matrix Laboratory数学软件)自带的gradient()和quiver()函数可得到电晕极化场的场分布图。如图2所示，图中坐标上的每个刻度代表网格划分的一个步长h，即0.1mm。沿水平方向，刻度从0至400代表400个步长，表示底电极的总宽度40mm；沿垂直方向，刻度1至1.25表示测量点到底电极的距离；场的大小等比例地表现为线的长短。
步骤三，电晕极化场场强最终可以通过改变极化电压大小进行线性的调整，因此首先讨论场分布的均匀化问题。定义均匀系数k为底电极附近场分布中场强的最大值除以场强的最小值。可知k越小，场越均匀；且k≥1，当k＝1时，底电极附近场强处处相等。
(1)不断改变c，得到如图3的k变化趋势图。从图3中可知，四针电极结构能将均匀系数降到1.06左右。
(2)讨论不同电级数目对场分布均匀化的影响。四针电极结构进一步降低了均匀系数，均匀化电晕极化场，但与三针电极相比均匀系数减少的程度十分有限，均匀场分布的能力已经趋于饱和。如图4所示为各种针电极结构最低均匀系数关系图，其中n代表针电极的个数。
(3)在四针电极结构下，针电极高度L与针电极横截面直径w对最小均匀化系数k的影响如图5与图6所示。
步骤四，极化场仿真数据分析。
(1)对于目前普遍使用的针电极板放电模型而言，四针电极的结构基本上能实现最均匀的电晕极化场。
(2)从图2可以求得L＝20mm，w＝1mm四针电极结构的最大归一化电场强度为5.02，最小归一化电场强度4.79。已知同样针电极尺寸的单针电极结构最大归一化电场强度为2.65。可得四针电极结构的电场强度为同样条件下单针电极结构电场强度的1.81至1.89倍之间。
(3)从图5与图6可以看出在最优四针电极结构下当L≤40mm，w≤2mm时针电极高与针电极宽对极化场均匀性的影响是十分有限的。从图中可以得出针电极高度为20mm至30mm，针电极横截面直径为1mm至2mm时，更有利于电晕极化场的均匀性。
步骤五，将样品进行单针和四针电晕极化，具体极化实施方法如下：
(1)将薄膜样品、样品台和电晕电极一起放入干燥箱中，调试薄膜与电极针针尖的间距为10mm，高压电源放置在干燥箱外；设定烘箱的温度，在不加电压的条件下缓慢加热至玻璃化转变温度；
(2)当温度达到设定温度后，打开高压电源进行极化；将样品放置在加热的底面电极之上，在针状电极与底面电极间加上足够高的电压；
(3)保持温度和电压，对样品极化30min；
(4)最后，极化到规定的时间后，关掉温控装置，打开干燥箱，使样品自然散热至常温，同时保持高压电源直至冷却至室温。
为与单针电极极化结构对比，此处极化薄膜样品仍然采用10wt％的PMMA/DR1，极化温度和极化时间分别设为95℃和30min。实验中使极化电压逐渐变大，得到如图7所示的极化薄膜取向序参数随极化电压的变化曲线。
从图中可得出，四针电极结构用接近1/2的极化电压可得到单针电极结构相近的取向序参数；而在相同的极化电压下得到的取向序参数远远大于单针电极结构，同时也可以避免薄膜的损伤程度，验证得到最佳极化结构的效果。