专利名称：一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置与制备方法
技术领域：
本发明涉及一种光子晶体滤波器的制作技术，尤其是涉及一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置与制备方法。
背景技术：
1987年，Bell通信研究所的Eli Yablonovitch和普林斯顿大学的Sajeev John 首次提出了光子晶体的概念，光子晶体是一种介电常数(折射率)在空间上周期性变化的材料结构。迄今，光子晶体的理论和应用研究得到了迅速的发展，已制作出了多种类型的光子晶体，其中一维光子晶体作为最简单的一种结构，已有比较广泛的研究与应用。一维光子晶体是不同折射率的介质在一维方向上周期排列组成的，类似于光学多层介质膜，其具有明显的光子禁带特征，故而将一维光子晶体广泛的应用于光谱滤波器中。现今，一维光子晶体多采用磁控溅射、化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)法、离子束刻蚀和真空热蒸发等方法进行制备，然而这些方法对制备设备要求高，且制作方法复杂，成本高。另一方面，近年来基于全息光刻技术制造一维、二维和三维光子晶体的技术已相对成熟，其较于传统的制备方法具有制作速度快、面积大、精度高、占空比可控、成本低和对仪器设备要求低等优点，现今这种基于全息光刻技术的制备方法已越来越受到人们的关注。当前，已有的基于全息光刻技术制备一维光子晶体滤波器的方法是将514nm的氩离子激光器发出的激光经透镜扩束成较大面积的平行光，平行光经分束镜后分成光斑大小、光强、角度均相等的两束光，两束光分别经两个对称且相互平行放置的平面镜反射后从记录介质重铬酸明胶全息干版的正面和背面以相同的角度斜入射进行曝光。由于这种方法需先用分束镜将平行光分成光斑大小、光强、角度均相等的两束平行光，而后再分别用两个对称且相互平行的反射镜对分束后的两束平行光进行反射，同时需保证两束反射后的平行光较之于重铬酸明胶全息干版的入射角一致，光路非常复杂，因此实际操作时繁琐费时，不易操作，且对操作人员校准光路的熟练水平和技术水平有较高要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光路简单、易操作、对实验人员的技术水平要求低的一维光子晶体带阻滤波器的制备装置和制备方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于包括激光光源、光扩束单元、第一反射镜和第二反射镜，所述的第一反射镜与水平面之间的夹角为44、6°，所述的第二反射镜上置放有待处理的红敏光致聚合物全息干版，且待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜朝上，所述的激光光源发出的入射光经所述的光扩束单元后形成平行的扩束光，所述的光扩束单元出射的平行的扩束光的光斑小于待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜的表面，所述的光扩束单元出射的平行的扩束光经所述的第一反射镜反射后垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版的中间位置上，透过待处理的红敏光致聚合物全息干版后的平行的扩束光垂直入射到所述的第二反射镜上，所述的第二反射镜反射的平行反射光与经所述的第一反射镜反射后垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版上的平行的扩束光在待处理的红敏光致聚合物全息干版的内部形成相向的两束相干光，对待处理的红敏光致聚合物全息干版进行曝光。所述的光扩束单元主要由第一透镜和第二透镜组成，所述的第一透镜的焦距小于所述的第二透镜的焦距，所述的激光光源发出的入射光依次经所述的第一透镜和所述的第二透镜后形成平行的扩束光。所述的第一透镜的焦距为4. 5mm,所述的第二透镜的焦距为45mm，所述的第一透镜和所述的第二透镜之间的距离为4. Scm0所述的第一反射镜与所述的第二反射镜之间设置有作为无衍射光阑的棱台，所述的棱台的中心与待处理的红敏光致聚合物全息干版的中心处于同一垂直直线上，所述的第一反射镜出射的平行的扩束光垂直入射到所述的棱台上，所述的棱台透过平行的扩束光中光强均勻的部分扩束光，所述的光强均勻的部分扩束光垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版上。所述的棱台为四棱台。所述的第一反射镜与水平面之间的夹角为45°。所述的激光光源采用型号为HJ-IB的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器发出的入射光是波长为632. 8nm的红光；所述的红敏光致聚合物全息干版的型号为RSP-I ；所述的第一反射镜和所述的第二反射镜均采用平面镜。一种一维光子晶体带阻滤波器的制备方法，其特征在于包括以下步骤
①开启He-Ne激光器，使其预热1小时以上；
②从冷藏室中取出待处理的红敏光致聚合物全息干版，在实验室室温下遮光放置30 分钟以上；
③He-Ne激光器发出波长为632.Snm的红光，红光经光扩束单元的第一透镜和第二透镜后形成平行的扩束光；
④平行的扩束光经第一反射镜反射后垂直入射到作为无衍射光阑的棱台上，透过棱台的光强均勻的部分扩束光垂直入射到第二反射镜上；
⑤微调第一反射镜的俯仰角，使从第二反射镜反射到第一反射镜上的平行反射光的光斑边缘与红光经第一透镜和第二透镜后直接照射到第一反射镜上的平行的扩束光的光斑边缘重合；
⑥使用光屏挡住He-Ne激光器发出的红光，将待处理的红敏光致聚合物全息干版置放于第二反射镜上，且使待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜面向棱台，同时使待处理的红敏光致聚合物全息干版的中心与棱台的中心处于同一垂直直线上， 然后静置待处理的红敏光致聚合物全息干版1分钟左右，以释放待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜的表面应力；
⑦撤去光屏，对待处理的红敏光致聚合物全息干版曝光2(Γ30秒后放回光屏，然后取出曝光后的红敏光致聚合物全息干版，在暗盒中置放10分钟左右；
⑧将曝光后的红敏光致聚合物全息干版放入蒸馏水中静置15 30秒；接着在浓度为40%的异丙醇溶液中脱水1分钟；而后在浓度为60%的异丙醇溶液中脱水1分钟；再在浓度为80%的异丙醇溶液中脱水15秒；最后在浓度为100%的异丙醇溶液中脱水，直至曝光后的红敏光致聚合物全息干版上出现清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像为止；
⑨取出脱水后的红敏光致聚合物全息干版，然后迅速烘干脱水后的红敏光致聚合物全息干版，直至清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像变为清晰、明亮的金黄色全息图像为止， 制备得到一维光子晶体带阻滤波器。与现有技术相比，本发明的优点在于
1)本发明的一维光子晶体带阻滤波器的制备装置光路简单、成本低、速度快，且由于仅采用了单束光垂直入射到红敏光致聚合物全息干版上，再利用第二反射镜，使红敏光致聚合物全息干版的内部形成上下两束相干光，进而对红敏光致聚合物全息干版进行曝光，因此操作非常方便。由于现今制作一维光子晶体多采用磁控溅射等方法，对设备条件有着较高的要求，即便是个别基于全息曝光的制作方法，由于其采用两束相干光以相同角度斜入射的方法，对光路的布置、校准及操作人员的技术水平提出了较高的要求，然而本发明的制备装置操作极其简便，对操作人员的技术要求较低。2)采用现今广泛使用的输出波长为632. Snm的红光的He-Ne激光器作为曝光光源，具有现实推广价值。3)由于使用本发明的制备装置并利用本发明的制备方法制备得到的一维光子晶体带阻滤波器采用红敏光致聚合物全息干版作为原材料，因此制备得到的一维光子晶体带阻滤波器的适用范围较广。
图1为本发明的一维光子晶体带阻滤波器的制备装置的结构示意图2为使用本发明的制备装置并利用本发明的制备方法制备得到的一维光子晶体带阻滤波器的结构示意图3为测试本发明制备得到的一维光子晶体带阻滤波器的滤波性能的实验光路示意
图4为溴钨灯发出的白光经本发明制备得到的一维光子晶体带阻滤波器后的光谱图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。实施例一
一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，如图1所示，其包括激光光源31、光扩束单元、第一反射镜34和第二反射镜36，一般情况下将第一反射镜34与水平面呈45°角放置， 第二反射镜36上置放有待处理的红敏光致聚合物全息干版4，且待处理的红敏光致聚合物全息干版4的全息光致聚合物薄膜朝上，激光光源31发出的入射光经光扩束单元后形成平行的扩束光，光扩束单元出射的平行的扩束光的光斑小于待处理的红敏光致聚合物全息干版4的全息光致聚合物薄膜的表面，光扩束单元出射的平行的扩束光经第一反射镜34反射后垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版4的中间位置上，透过待处理的红敏光致聚合物全息干版4后的平行的扩束光垂直入射到第二反射镜36上，第二反射镜36反射的平行反射光与经第一反射镜34反射后垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版4上的平行的扩束光在待处理的红敏光致聚合物全息干版4的内部形成相向的两束相干光，对待处理的红敏光致聚合物全息干版4进行曝光。在此具体实施例中，光扩束单元主要由第一透镜32和第二透镜33组成，激光光源 31发出的入射光依次经第一透镜32和第二透镜33后形成平行的扩束光。在此，需保证第一透镜32的焦距小于第二透镜33的焦距，如可将第一透镜32的焦距设为4. 5mm,将第二透镜33的焦距设为45mm，在实际处理过程中第一透镜32和第二透镜33也可采用其他焦距的透镜；第一透镜32和第二透镜33之间的距离以实际能产生平行的扩束光的状态时为准，如当第一透镜32的焦距为4. 5mm且第二透镜33的焦距为45mm时，可将第一透镜32和第二透镜33之间的距离设为4. 8cm。在此具体实施例中，第一反射镜34与第二反射镜36之间设置有作为无衍射光阑的棱台35，棱台35的底面与第二反射镜36的反射面之间的距离至少为3cm，棱台35的中心与待处理的红敏光致聚合物全息干版4的中心处于同一垂直直线上，第一反射镜34出射的平行的扩束光垂直入射到棱台35上，棱台35透过平行的扩束光中光强均勻的部分扩束光，光强均勻的部分扩束光垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版4上。在此，棱台 35主要用于透过平行的扩束光中光强均勻的部分扩束光，实际处理过程中可采用四棱台， 也可采用其它形状、规格的棱台，但需保证所透过的扩束光的光强均勻。在此具体实施例中，激光光源31采用型号为HJ-IB的He-Ne激光器，He-Ne激光器发出的入射光是波长为632. Snm的红光；红敏光致聚合物全息干版4的型号为RSP-I，也可采用其它型号的对632. Snm的红光敏感的全息材料；第一反射镜34和第二反射镜36均采用日常使用的平面镜，亦指多种镀高反射率薄膜的镜片。实施例二
本实施例为利用实施例一的制备装置制备一维光子晶体带阻滤波器的制备方法，其包括以下步骤
①开启He-Ne激光器，使其预热1小时以上。②从冷藏室中取出待处理的红敏光致聚合物全息干版，在实验室室温下遮光放置 30分钟以上。③He-Ne激光器发出波长为632. Snm的红光，红光经光扩束单元的第一透镜和第二透镜后形成平行的扩束光。④平行的扩束光经第一反射镜反射后垂直入射到作为无衍射光阑的棱台上，透过棱台的光强均勻的部分扩束光垂直入射到第二反射镜上。⑤微调第一反射镜的俯仰角，使从第二反射镜反射到第一反射镜上的平行反射光的光斑边缘与红光经第一透镜和第二透镜后直接照射到第一反射镜上的平行的扩束光的光斑边缘重合。⑥使用光屏挡住He-Ne激光器发出的红光，将待处理的红敏光致聚合物全息干版置放于第二反射镜上，且使待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜面向棱台，同时使待处理的红敏光致聚合物全息干版的中心与棱台的中心处于同一垂直直线上，然后静置待处理的红敏光致聚合物全息干版1分钟左右，以释放待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜的表面应力。
⑦撤去光屏，对待处理的红敏光致聚合物全息干版曝光20秒后放回光屏，然后取出曝光后的红敏光致聚合物全息干版，在暗盒中置放10分钟左右。⑧将曝光后的红敏光致聚合物全息干版放入蒸馏水中静置20秒；接着在浓度为 40%的异丙醇溶液中脱水1分钟；而后在浓度为60%的异丙醇溶液中脱水1分钟；再在浓度为80%的异丙醇溶液中脱水15秒；最后在浓度为100%的异丙醇溶液中脱水，直至曝光后的红敏光致聚合物全息干版上出现清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像为止。⑨取出脱水后的红敏光致聚合物全息干版，然后迅速烘干脱水后的红敏光致聚合物全息干版，直至清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像变为清晰、明亮的金黄色全息图像为止，制备得到一维光子晶体带阻滤波器。在此具体实施例中，待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜的表面需大于光扩束单元出射的平行的扩束光的光斑。在此具体实施例中，对脱水后的红敏光致聚合物全息干版烘干可采用吹风机实现，吹风机仅作快速蒸发脱水后的红敏光致聚合物全息干版的表面残留的异丙醇溶液用， 亦可用其他快速烘干设备代替。图2给出了使用实施例一的制备装置并利用实施例二的制备方法制备得到的一维光子晶体带阻滤波器的结构，该一维光子晶体带阻滤波器包括玻璃基底1，玻璃基底1的一表面的两侧对称设置有未曝光的全息光致聚合物薄膜2，全息光致聚合物薄膜2的周期为208nm，全息光致聚合物薄膜2之间设置有一维光子晶体3，该一维光子晶体3的暗条纹与明条纹间隔排列，该一维光子晶体3的暗条纹的折射率大于明条纹的折射率，该一维光子晶体3的暗条纹的厚度约为94nm左右。以下为利用图3所示的测试装置对制备得到的一维光子晶体带阻滤波器的滤波性能进行测试。图3所示的测试装置包括溴钨灯51、透镜52、平行光管53、旋转台M和光纤探头 56，待测试的一维光子晶体带阻滤波器55置放于旋转台M上，溴钨灯51发出的白光经透镜52和平行光管53后形成平行白光，平行白光以不同的入射角入射到待测试的一维光子晶体带阻滤波器阳的一维光子晶体的表面上，光纤探头56测量不同的入射角时的透射光谱。具体测试过程如下先将制备好的一维光子晶体带阻滤波器55置放于旋转台M的中央，使溴钨灯51发出的白光经透镜52和平行光管53后形成的平行白光能垂直入射到一维光子晶体带阻滤波器阳的一维光子晶体的表面上，然后固定一维光子晶体带阻滤波器阳， 再旋转一维光子晶体带阻滤波器55，使平行白光从不同的角度入射到一维光子晶体的表面上，用光纤探头56测量不同入射角时的透射光谱，如测量入射角为0°、10°、20°、30°和 40°时的透射光谱。图4给出了入射角为0°、10°、20°、30°和40°时测量得到的透射光谱，从图4 中可以看出，经测试本发明制备得到的一维光子晶体带阻滤波器具有良好的滤波性能，通过改变平行白光与一维光子晶体的夹角，可以连续调谐出射光谱的峰谷位置，即通过改变入射角不同波长的光被阻挡，具体地，即入射角从(Γ40°变化时，透射光谱峰谷的中心波长从570nnT515nm连续变化。实施例三
本实施例的一维光子晶体带阻滤波器的制备方法的步骤①至步骤⑥及步骤⑨与实施例二所述的制备方法的步骤①至步骤⑥及步骤⑨相同，本实施例的制备方法的步骤⑦和步骤⑧分别为⑦撤去光屏，对待处理的红敏光致聚合物全息干版曝光30秒后放回光屏，然后取出曝光后的红敏光致聚合物全息干版，在暗盒中置放10分钟左右。⑧将曝光后的红敏光致聚合物全息干版放入蒸馏水中静置15秒；接着在浓度为40%的异丙醇溶液中脱水1 分钟；而后在浓度为60%的异丙醇溶液中脱水1分钟；再在浓度为80%的异丙醇溶液中脱水15秒；最后在浓度为100%的异丙醇溶液中脱水，直至曝光后的红敏光致聚合物全息干版上出现清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像为止。
实施例四
本实施例的一维光子晶体带阻滤波器的制备方法的步骤①至步骤⑥及步骤⑨与实施例二所述的制备方法的步骤①至步骤⑥及步骤⑨相同，本实施例的制备方法的步骤⑦和步骤⑧分别为⑦撤去光屏，对待处理的红敏光致聚合物全息干版曝光M秒后放回光屏，然后取出曝光后的红敏光致聚合物全息干版，在暗盒中置放10分钟左右。⑧将曝光后的红敏光致聚合物全息干版放入蒸馏水中静置30秒；接着在浓度为40%的异丙醇溶液中脱水1 分钟；而后在浓度为60%的异丙醇溶液中脱水1分钟；再在浓度为80%的异丙醇溶液中脱水15秒；最后在浓度为100%的异丙醇溶液中脱水，直至曝光后的红敏光致聚合物全息干版上出现清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像为止。
权利要求
1.一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于包括激光光源、光扩束单元、 第一反射镜和第二反射镜，所述的第一反射镜与水平面之间的夹角为44、6°，所述的第二反射镜上置放有待处理的红敏光致聚合物全息干版，且待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜朝上，所述的激光光源发出的入射光经所述的光扩束单元后形成平行的扩束光，所述的光扩束单元出射的平行的扩束光的光斑小于待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜的表面，所述的光扩束单元出射的平行的扩束光经所述的第一反射镜反射后垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版的中间位置上，透过待处理的红敏光致聚合物全息干版后的平行的扩束光垂直入射到所述的第二反射镜上，所述的第二反射镜反射的平行反射光与经所述的第一反射镜反射后垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版上的平行的扩束光在待处理的红敏光致聚合物全息干版的内部形成相向的两束相干光，对待处理的红敏光致聚合物全息干版进行曝光。
2.根据权利要求1所述的一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于所述的光扩束单元主要由第一透镜和第二透镜组成，所述的第一透镜的焦距小于所述的第二透镜的焦距，所述的激光光源发出的入射光依次经所述的第一透镜和所述的第二透镜后形成平行的扩束光。
3.根据权利要求2所述的一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于所述的第一透镜的焦距为4. 5mm，所述的第二透镜的焦距为45mm，所述的第一透镜和所述的第二透镜之间的距离为4. 8cm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于所述的第一反射镜与所述的第二反射镜之间设置有作为无衍射光阑的棱台，所述的棱台的中心与待处理的红敏光致聚合物全息干版的中心处于同一垂直直线上，所述的第一反射镜出射的平行的扩束光垂直入射到所述的棱台上，所述的棱台透过平行的扩束光中光强均勻的部分扩束光，所述的光强均勻的部分扩束光垂直入射到待处理的红敏光致聚合物全息干版上。
5.根据权利要求4所述的一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于所述的棱台为四棱台。
6.根据权利要求5所述的一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于所述的第一反射镜与水平面之间的夹角为45°。
7.根据权利要求6所述的一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置，其特征在于所述的激光光源采用型号为HJ-IB的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器发出的入射光是波长为632. 8nm的红光；所述的红敏光致聚合物全息干版的型号为RSP-I ；所述的第一反射镜和所述的第二反射镜均采用平面镜。
8.—种一维光子晶体带阻滤波器的制备方法，其特征在于包括以下步骤①开启He-Ne激光器，使其预热1小时以上；②从冷藏室中取出待处理的红敏光致聚合物全息干版，在实验室室温下遮光放置30 分钟以上；③He-Ne激光器发出波长为632.Snm的红光，红光经光扩束单元的第一透镜和第二透镜后形成平行的扩束光；④平行的扩束光经第一反射镜反射后垂直入射到作为无衍射光阑的棱台上，透过棱台的光强均勻的部分扩束光垂直入射到第二反射镜上；⑤微调第一反射镜的俯仰角，使从第二反射镜反射到第一反射镜上的平行反射光的光斑边缘与红光经第一透镜和第二透镜后直接照射到第一反射镜上的平行的扩束光的光斑边缘重合；⑥使用光屏挡住He-Ne激光器发出的红光，将待处理的红敏光致聚合物全息干版置放于第二反射镜上，且使待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜面向棱台，同时使待处理的红敏光致聚合物全息干版的中心与棱台的中心处于同一垂直直线上， 然后静置待处理的红敏光致聚合物全息干版1分钟左右，以释放待处理的红敏光致聚合物全息干版的全息光致聚合物薄膜的表面应力；⑦撤去光屏，对待处理的红敏光致聚合物全息干版曝光2(Γ30秒后放回光屏，然后取出曝光后的红敏光致聚合物全息干版，在暗盒中置放10分钟左右；⑧将曝光后的红敏光致聚合物全息干版放入蒸馏水中静置15 30秒；接着在浓度为 40%的异丙醇溶液中脱水1分钟；而后在浓度为60%的异丙醇溶液中脱水1分钟；再在浓度为80%的异丙醇溶液中脱水15秒；最后在浓度为100%的异丙醇溶液中脱水，直至曝光后的红敏光致聚合物全息干版上出现清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像为止；⑨取出脱水后的红敏光致聚合物全息干版，然后迅速烘干脱水后的红敏光致聚合物全息干版，直至清晰、明亮的红色或黄绿色全息图像变为清晰、明亮的金黄色全息图像为止， 制备得到一维光子晶体带阻滤波器。
全文摘要
本发明公开了一种一维光子晶体带阻滤波器的制备装置与制备方法，该制备装置包括激光光源、光扩束单元、第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜与水平面之间的夹角为44~46°，第二反射镜上置放有待处理的红敏光致聚合物全息干版，激光光源发出的入射光经光扩束单元后形成平行的扩束光，扩束光经第一反射镜反射后垂直入射到全息干版上，透过的扩束光垂直入射到第二反射镜上，第二反射镜反射的平行反射光与直接入射的扩束光在全息干版的内部形成相向的两束相干光，对全息干版进行曝光，该制备装置光路简单、成本低，且由于仅采用了单束光垂直入射到红敏光致聚合物全息干版上，再利用第二反射镜，使全息干版的内部形成上下两束相干光，因此操作非常方便。
文档编号G02B6/138GK102520481SQ201110355408
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者张斌, 潘雪丰, 王勇, 董建峰, 陶卫东 申请人:宁波大学