一种产生三维光子晶体结构的方法和装置.pdf

本发明公开了一种产生三维光子晶体结构的方法和装置，属光子技术领域。该方法是以双光束汇交的角平分线与感光材料薄膜平面成非垂直方向照射感光材料薄膜平面，并且在第一次曝光后，将感光材料薄膜平面旋转120度后，进行第二次曝光，之后再旋转120度后进行第三次曝光，三次曝光量完全相等，总曝光量根据感光材料的感光灵敏度加以确定，改变两光束之间的夹角控制薄膜平面内尺度，以改变双光束的角平分线与感光材料薄膜法线方向的夹角控制薄膜厚度方向上的尺度。装置特征在于，基片由一个旋转台支承，基片的前平面设置棱镜，在棱镜与感光材料薄膜之间的间隙内填充折射率匹配液。本发明的优点在于，方法过程简单，装置紧凑。

1、  一种产生三维光子晶体结构的方法，该方法是在基片上涂敷感光材料形成薄膜，然后采用双光束干涉，产生强度为正弦分布，等强度面为平面的三维全息图案对感光材料薄膜进行曝光，曝光后对感光材料以适当的方式处理，生成三维光子晶体结构，其特征在于包括以下操作工艺：以双光束汇交的角平分线与感光材料薄膜平面成非垂直方向照射感光材料薄膜平面，并且在第一次曝光后，将感光材料薄膜平面绕其中心轴线旋转120度后，进行第二次曝光，之后，将感光材料薄膜平面绕其中心轴线旋转120度后进行第三次曝光，三次曝光量完全相等，总曝光量根据感光材料的感光灵敏度加以确定，并以改变两光束之间的夹角控制三维光子晶体结构在薄膜平面内尺度，以改变双光束的角平分线与感光材料薄膜法线方向的夹角控制薄膜厚度方向上的尺度。

2、  一种实现按权利要求1的方法产生三维光子晶体结构的装置，该装置包括激光器，一维相位光栅，光栏，平面反射镜构成，其特征在于：涂有感光材料的基片由一个旋转台支承，并且在基片的前平面设置棱镜，在棱镜与感光材料薄膜之间的间隙内填充折射率匹配液。

一种产生三维光子晶体结构的方法和装置
                            技术领域
本发明涉及一种产生三维光子晶体结构的方法和装置，特别是一种利用激光干涉与多次曝光方法产生三维光子晶体结构的装置，属光子技术领域。
                            背景技术
光子晶体是由两种介电常数呈周期性变化的介质材料构成的人造材料。与普通晶体相似，光子晶体也可以用能带、能隙、能态密度、缺陷态等概念来描述。如同普通晶体可对电子产生的作用和控制一样，光子晶体能对光子的运动进行控制，如控制光的传输方向，滤波等等。潜在的应用前景使光子晶体的理论研究、相关实验和实际应用得到了迅速发展，这一领域已经成为当今世界范围内研究的热点。按介电常数的空间周期性变化及光子能隙出现的空间维度，光子晶体可分为一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)光子晶体。顾名思义，一维、二维和三维光子晶体分别指在一维、二维和三维空间各方向上具有介电常数的空间周期性变化和光子频率禁带特性的材料。光子晶体自诞生以来，理论研究已较为成熟，但光子晶体的理论计算的结果多数先用技术上较容易实现的微波区实验进行证实，所以实验制作方面的多数报道都在微波、毫米波。光子晶体在光学方面的应用要求其周期常数要在亚微米即几百纳米量级。而目前人工制作周期为微米、亚微米级的三维光子晶体还存在很多困难，所以光学波段范围的光子晶体的制造仍然是一个很大的挑战。已有的光子晶体制作方法包括精密机械加工法，半导体微制造法(激光刻蚀，电子束刻蚀，反应离子束刻蚀)，胶体自组装法以及激光全息光刻法等。激光全息光刻技术是利用多束激光的干涉产生的三维全息图案，对涂敷在基片上的感光剂进行曝光，经处理后得到三维光子晶体结构。由于该方法一次曝光即可形成三维结构，而且通过改变光束的空间几何关系即可改变三维光子晶体的结构和尺寸，所以激光全息光刻技术为制作亚微米尺度的三维光子晶体提供了一种有效的方法，因而受到了广泛的重视。但已有的方法存在缺陷，首先由于采用多光束干涉，光路结构复杂。此外，所形成的三维结构的尺度相互关联，而且对入射光的偏振状态敏感。
                            发明内容
本发明的目的就是提供一种产生三维光子晶体结构的方法和装置。方法过程简单，装置紧凑。
本发明是通过下述技术方案加以实现的。在基片上涂敷感光材料形成薄膜，然后采用双光束干涉，产生强度为正弦分布，等强度面为平面的三维全息图案对感光材料薄膜进行曝光。曝光后对感光材料以适当的方式处理，生成三维光子晶体结构的方法，其特征在于包括以下操作工艺：以双光束汇交的角平分线与感光材料薄膜平面成非垂直方向照射感光材料薄膜平面，并且在第一次曝光后，将感光材料薄膜平面绕其中心轴线旋转120度后，进行第二次曝光，之后，将感光材料薄膜平面绕其中心轴线旋转120度后进行第三次曝光，三次曝光量完全相等，总曝光量根据感光材料的感光灵敏度加以确定，并以改变两光束之间的夹角控制三维光子晶体结构在薄膜平面内尺度，以改变双光束的角平分线与感光材料薄膜法线方向的夹角控制薄膜厚度方向上的尺度。
实现上述产生三维光子晶体结构方法的装置，该装置包括激光器，一维相位光栅，光栏，平面反射镜构成，其特征在于，涂有感光材料的基片由一个旋转台支承，并且在基片的前平面设置棱镜，在棱镜与感光材料薄膜之间的间隙内填充折射率匹配液。
本发明的特点：1)双光束干涉的光路结构简单，若入射光束偏振方向垂直于两光束所在的平面，则双光束干涉所形成的三维全息图案具有最大对比度；2)可分别调节三维光子晶体结构在薄膜平面内和薄膜厚度方向上的尺度。
                            附图说明
附图1为本发明产生三维光子晶体结构的装置框图。图1中，101为激光器；102为激光束；103为一维相位光栅；104，105，106分别为一维相位光栅产生的+1级，0级和-1级衍射光；107为光栏；108，109为平面反射镜；110，111为用于产生全息干涉图案的入射光束；112为两入射光束的角平分线；113为棱镜；114为折射率匹配液；115为感光材料；116为基片；117为旋转台；118为感光材料的法线和旋转台的旋转轴。
附图2为采用本发明的方法和装置产生的三维光子晶体结构图。
                          具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，由激光器101发出的激光束102入射到一维相位光栅103，产生多级衍射光。当相位光栅103与激光波长匹配时，衍射光的能量主要集中在+1级和-1级上，少量出现在0级上。因为只有+1级和-1级用于双光束干涉，使用光栏107将包括0级在内的其它衍射级次滤掉。+1级和-1级衍射光经平面反射镜108，109反射得到入射光束110，111。入射光束110，111在其所在平面内相交，产生干涉，形成强度为正弦分布，等强度面为平面的三维全息图案。等强度平面之间的间距由激光波长和入射光束110，111之间地夹角决定。由感光材料制成的薄膜115置于入射光束110，111的相交区。两入射光束的角平分线112与感光材料的法线和旋转台的旋转轴118不平行，而是成一角度。在这种情况下，为使入射光束110，111有效地进入到感光材料115中，设置一棱镜113，两入射光束的角平分线112与棱镜113的入射面垂直或接近垂直。棱镜113与感光材料115之间有很小的间隙，其中有折射率匹配液114。感光材料115涂敷在基片116表面，基片116安装在旋转台117上。
由上述装置制作三维光子晶体结构的步骤如下：将与所用激光波长相匹配的感光剂通过匀胶机涂敷在基片116上，并经烘干等处理形成一定厚度的感光膜115。将涂有感光膜115的基片116固定在旋转台117上。根据所要三维光子晶体结构的尺度选取适当周期的相位光栅。在相位光栅的周期固定的情况下，通调节平面反射镜108，109还可以在一定范围内改变入射光束110，111之间的夹角。根据所要三维光子晶体结构在膜厚方向的尺度调整两入射光束的角平分线112与感光膜的法线和旋转台的旋转轴118之间的夹角。按照感光膜115感光灵敏度的要求，根据激光功率或脉冲能量确定曝光时间或脉冲数。启动激光器101对感光膜115进行第一次曝光，曝光量为所需总曝光量的三分之一。之后，控制旋转台117，将感光膜115沿其法线方向和旋转台的旋转轴118转动120度。启动激光器101对感光膜115进行第二次曝光，曝光量为所需总曝光量的三分之一。最后，再控制旋转台117，将感光膜115沿其法线方向和旋转台的旋转轴118再转动120度，启动激光器101对感光膜115进行第三次曝光，曝光量为所需总曝光量的三分之一。完成曝光后，使用相应的冲洗剂对感光膜115进行冲洗和其它处理，即可得到三维光子晶体结构。附图2为采用本发明的方法和装置产生的三维光子晶体结构。
上述感光剂可以是正光刻胶，也可以为负光刻胶，但所得到的结构是不同的，两者是互补的。MicroChem Corp生产的SU8是一种常用的对紫外敏感的负光刻胶，可以使用三倍频YAG激光器产生的波长为355nm的激光。采用附图1所示的装置，在平面反射镜108，109相互平行的情况下，双光束干涉所形成的等强度平面之间的间距是所用相位光栅103周期的二分之一。
本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。