专利名称：基于全息干涉术的光子晶体制造装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子晶体制造装置，尤其是涉及一种基于全息干涉术的光子晶体制造
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背景技术：
光子晶体的概念是由Ε. Yablonovitch ( [1]E. Yablonovitch. “InhibitedSpontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics，，[J] ·Phys. Rev.Lett.，1987，58(20):2059-2062)和 S.John ( [2]S.John. “Strong Localizationof Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices，，[J] · Phys. Rev.Lett.，1987，58(23) :2486-2489)两人于1987年首次独立提出的，它是一种介电常数(或者 说折射率)在空间呈周期性变化的材料。众所周知，在半导体材料中原子排列的晶格结构产生的周期性电势场影响着在其中运动的电子的性质，使其形成能带结构。由于介电常数的周期性调制，电磁波在光子晶体中的传播可以用类似于电子在半导体中运动的能带结构来描述。具体表现为一定频率的光波在光子晶体的特定方向上被散射，不能透过，形成光子禁带(或称光子带隙)，频率落在光子禁带中的光波在一定方向上无法传播。这种具有光子禁带的周期性介电材料即为光子晶体或光子带隙材料([3]范长林，光子晶体的全新应用及其研究[D]，电子科技大学，2003 年·)。按介电常数的周期性变化及其出现的空间维度，光子晶体可分为一维、二维、三维光子晶体。其中三维光子晶体因其介电常数在三维方向呈周期性排列，因而是最容易实现完全光子禁带结构的([4]边超，明海，光子晶体的研究进展及应用前景[J]，光电子技术与信息，2000年01期.)。多束光全息干涉术常用来制造三维光子晶体。利用光刻胶的感光特性以及单次曝光法可十分方便的记录三维光学结构。在此，我们采用四束光干涉的三维全息术用来制造大面积的周期性结构。通过这个方法我们能够得到纳米级的晶体结构，并以此为模板制造出高折射率对比度的互补结构。多束光全息干涉术具体技术要点如下我们通过在光刻胶上用四束不共面的光进行干涉的方法可以制造出三维周期性的微结构。干涉结构的强度分布反应出了晶格的三维平移对称性，并且它的倒晶格矢对应于两两光束的波矢差([5]M. Campbell, D. N. Sharp, Μ. Τ. Harrison, R. G. Denning, and
A.J. Turberfield, “Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum byholographic lithography, ” Nature404, 53 - 56 (2000) ·)。四束干涉光的波矢分布决定了干涉结构的平移对称性及晶格常数，进而可用来决定晶胞内介质材料的分布，从而反过来决定光子能带结构。同时，全息干涉术可对形成的干涉结构的尺寸和形态进行精确的控制。例如，通过控制两束光的波矢差可以用来控制干涉结构的空间周期性和平移对称性。干涉结构的对比度可以通过控制每束光的实振幅、偏振态以及相位来实现。
此外，在使用四束光全息干涉术制备光子晶体时，可通过在一束干涉光中加入额外相位来改变一个聚合结构晶格内的两个子晶格的相对距离([6]Xi Zhang, MartinTheuringj Qiang Song, Weidoong Mao，Milan Begliarbekovj and Stefan Strauf，“Holographic Control of Motive Shape in Plasmonic Nanogap Arrays，，，Nanolett.，2011，11，2715-2719.)。通过改变子晶格的相对距离可使聚合体晶胞间隙变小，而晶胞间隙越小，聚合体的耦合作用越强，外加电场强度的增幅也越强，作为拉曼基底时，相应的拉曼信号也越强。这一特性可用于提升表面增强拉曼散射的质量。而表面增强拉曼散射(SERS)是从分子水平上表征表面或界面结构及其过程的灵敏技术，该技术的关键之一正是通过制备具有纳米级大小的颗粒使SERS信号得到增强。研究制备大小和形貌可控的金属纳米粒子不仅具有实际应用价值，而且有助于揭示SERS增强机理([7] Tian Z. Q. , Ren
B.，Wu D. Y. · J. Phys. Chem. B[J], 2002, 106(37) :9463— 9483. ) [7]。由于以上因素，才使得越来越多的科技工作者致力于大面积周期性间隙结构的研究。这些研究将物理领域的光子晶体结构的应用拓展到了电化学领域表面增强拉曼散射技术领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、可操作性强、可获得具有大面积周期性间隙阵列的三维光子晶体的基于全息干涉术的光子晶体制造装置。本发明依次设有激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板；激光器发出的激光经过空间滤波器的扩束后照射到全息光学元件上，经全息光学元件产生四束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光学元件的其中I个出光口之后，入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度为设定值，四束光重叠射在光刻胶板上，在光刻胶板上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到大面积周期性间隙阵列结构的光子晶体。所述全息光学元件为能够产生二维周期性微结构的元件，该全息光学元件设有3个衍射光栅，3个衍射光栅呈扇形均布，使用时，在法向一侧的不共面的三束光两两之间夹角互为120° ;所述入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度的设定值为15° 23. 5°。所述全息光学元件为能够产生二维周期性微结构的元件，该全息光学元件设有3个衍射光栅，使用时，在法向一侧的不共面三束光两两之间夹角互为60° ,与法向另一侧的光束夹角为120° ;所述入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度的设定值为45°。所述激光器最好采用功率可调的氩离子激光器。与现有技术比较，本发明的工作原理及有益效果如下本发明运用四束光全息干涉术制造三维光子晶体，利用特殊的全息光学元件搭建干涉光路，并在一束光的光路中加入相位差，从而达到改变干涉结构，进而改变光子晶体结构，获得极小的纳米级间隙阵列的目的。该系统光路相较于通常采用的干涉光路而言结构简单，可操作性强。本发明的原理是利用四束光的干涉在光刻胶板上记录其干涉强度分布，而后通过显影等流程在光刻胶板上制造出三维光子晶体结构。本发明的关键在于多次采用特殊的全息光学兀件来控制四束光的波矢分布，同时利用波矢分布确定两束光之间的波矢差，以此来控制干涉结构空间周期性和平移对称性，这种方法的优点在于简化了光路的结构，大大减少了光学器件的使用及光路调节的难度。同时通过摆放在特殊的全息光学元件其中一束出射光出口之后的1/2波片,调节其中一束入射线偏振光振动方向与波片晶体表面上光轴间的角度，实现在其出射光中加入额外相位的目的，进而达到改变三维光子晶体中的两个晶胞的相对位置的目的，在保证两个晶胞不粘合的前提下，当两个晶胞间的距离达到一个极小的值时，这个极小值便是我们得到的间隙阵列中间隙的距离。我们已通过matIab模拟找出在特定波矢分布下，使得两个晶胞的相对距离达到极小值所对应的额外相位的数值，并在实验中通过调整1/2波片晶体表面上光轴与入射线偏振光振动平面方向间的角度，在一束干涉光中加入了设定的相位，得到了预期的周期性间隙阵列。这个方法的创新之处在于发明所利用的不再是光子晶体本身的周期性结构，而是利用三维光子晶体各晶胞间的周期性间隙阵列，将物理领域的光子晶体拓展到了电化学领域。由此可见，本发明改变全息光学元件的四束光出光口的位置，改变四束光的波矢分布，再调节其中入射的线偏振光振动方向与1/2波片晶体表面上光轴间的角度，在光刻 胶板5上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到某种大面积周期性间隙阵列结构的光子晶体。本发明通过使用四束光干涉的方法成功制备出周期性的间隙阵列，极大的优化了光路结构，省却了繁琐的光路设计和摆放过程。由于突破了光路的繁杂性，使得纳米级间隙阵列的制备不再需要复杂的光路设计，同时可通过对特殊的全息光学元件的替换和波片位置的设置，满足了对不同结构，不同间隙阵列大小的要求。该系统紧凑稳定，使得全息法制备纳米间隙阵列结构有望走出实验室，实现产业化，对表面增强拉曼散射技术，拉曼光谱仪等技术仪器的优化有很大的影响。
图I为实施例I的结构及原理示意图。在图I中1为激光器，2为空间滤波器，3为全息光学兀件，4为1/2波片，5为光刻胶板,6为光栅。图2为实施例I使用时，四束光在光刻胶板上产生干涉结构的波矢分布图(四束光中的一束光由法向入射，其余在法向一侧的不共面的三束光两两之间夹角互为120° )。图3为实施例I的全息光学元件的结构示意图。图4为实施例2的结构及原理示意图。在图4中1为激光器；2为空间滤波器；3丨为全息光学兀件；4为1/2波片；5为光刻胶板；6为光栅。图5为实施例2使用时，四束光在光刻胶板上产生干涉结构的波矢分布图(在法向一侧的不共面三束光两两之间夹角互为60°，与法向另一侧的光束夹角为120° )。图6为实施例2的全息光学元件的结构示意图。
具体实施例方式以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。实施例I参见图I 3，所使用的激光器I采用功率可调的氩离子激光器，所使用的全息光学元件3采用能够产生二维周期性微结构的光学元件，该全息光学元件3设有3个衍射光栅，3个衍射光栅呈扇形均布(即使用时，在法向一侧的不共面的三束光夹角均为120° )。可根据经典的相干光干涉理论和衍射理论，采用激光全息技术进行制备，具体制备方式可参见中国专利ZL 2006 I 0122343.0 (发明名称为制作光子晶体的无透镜光学装置)。所使用的空间滤波器2搭配15 μ m的针孔及40倍的显微物镜，经过空间滤波器2扩束的激光束应均匀的照射到全息光学元件3上。全息光学元件3的结构可产生四束相干的干涉光束，其波矢分布见图2，将1/2波片4紧紧置于全息光学元件3的中央光束出口之后，注意1/2波片的尺寸的选择不能影响到其他三束光的出射，同时其位置必须准确的重叠于中央光束的出射位置，调节其中入射的中央线偏振光振动方向与1/2波片4晶体表面光轴间的角度为23° (可为15° 23. 5° )，在光刻胶板5上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到一种大面积周期性间隙阵列结构的光子晶体。实施例2参见图4 6，与实施例I类似，区别在于，将实施例I所述的全息光学元件进行光栅位置的调整，成为另一种全息光学元件3’。这样具有不同的波矢分布及波矢差。制备大 面积间隙阵列结构的光路见图4，将1/2波片4紧紧置于四束光其中的第二束光Ic1的出光口的位置，并调节入射的线偏振光振动方向与1/2波片晶体表面上光轴间的角度φ为45°，在光刻胶板5上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到另一种大面积周期性间隙阵列结构的光子晶体。
权利要求
1.基于全息干涉术的光子晶体制造装置，其特征在于依次设有激光器，空间滤波器，全息光学兀件，1/2波片和光刻胶板； 激光器发出的激光经过空间滤波器的扩束后照射到全息光学元件上，经全息光学元件产生四束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光学元件的其中I个出光口之后，入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度为设定值，四束光重叠射在光刻胶板上，在光刻胶板上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到大面积周期性间隙阵列结构的光子晶体。
2.如权利要求I所述的基于全息干涉术的光子晶体制造装置，其特征在于所述全息光学元件为能够产生二维周期性微结构的元件，该全息光学元件设有3个衍射光栅，3个衍射光栅呈扇形均布，使用时，在法向一侧的不共面的三束光两两之间夹角互为120° ;所述入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度的设定值为15° 23. 5°。
3.如权利要求I所述的基于全息干涉术的光子晶体制造装置，其特征在于所述全息光学元件为能够产生二维周期性微结构的元件，该全息光学元件设有3个衍射光栅，使用时，在法向一侧的不共面三束光夹角均为60°，与法向另一侧的光束夹角为120° ;所述入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度的设定值为45°。
4.如权利要求I所述的基于全息干涉术的光子晶体制造装置，其特征在于所述激光器采用功率可调的氩离子激光器。
全文摘要
基于全息干涉术的光子晶体制造装置，涉及光子晶体制造装置。依次设有激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板；激光器发出的激光经过空间滤波器的扩束后照射到全息光学元件上，经全息光学元件产生四束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光学元件的其中1个出光口之后，入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度为设定值，四束光重叠射在光刻胶板上，在光刻胶板上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经显影流程得大面积周期性间隙阵列结构的光子晶体。所述入射1/2波片的线偏振光的振动方向与1/2波片晶体表面光轴间的角度的设定值为15°～23.5°。
文档编号G02B6/138GK102798930SQ20121033249
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者任雪畅, 沈少鑫, 李彦双, 刘守 申请人:厦门大学