基于多光束干涉法制造可变周期光子晶体的装置的制作方法

本发明涉及光子晶体，尤其是涉及一种基于多光束干涉法制造可变周期光子晶体的装置。

背景技术：

激光干涉光刻的精度很高，可达微纳量级，适当的调节干涉光之间的夹角，甚至可使微纳结构的周期接近激光波长的一半，是可操作性很强的一种微纳结构制备技术。

多光束干涉法常用来制造光子晶体。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。再通过显影过程，即可把制备的结构显现出来，从而得到所需的光子晶体。

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(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.)。

由于光子晶体的介电常数受到周期性调制，因而对不同频率的光波呈现不同的光学特性。一种特定周期的光子晶体，仅允许特定频段的光波通过，其余的光波则无法通过。由于每一种特定周期的光子晶体都有其最佳调控范围，因而要增强其对光波的调控能力，扩大其可调控光波的范围，周期可变就显得格外重要。因此本发明的重点就放在光子晶体周期的调控上。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有多光束干涉光刻系统存在的光路复杂、光束入射角调整困难等缺点，提供结构简单、可操作性强、可获得具有大面积可变周期的一种基于多光束干涉法制造可变周期光子晶体的装置。

本发明依次设有激光器、空间滤波器、光阑、凸透镜、多光束生成元件、光刻胶板；

所述空间滤波器的出光口放置于凸透镜的焦点处，当激光器发出的激光经过空间滤波器扩束后，会变成一束发散光，发散光经过凸透镜时，会变成一束平行光，这束平行光沿着法线方向照射到多光束生成元件上，多光束生成元件对这束平行光的光路进行调整，使其产生多束相干光束，多束相干光束重叠在光刻胶板上，在光刻胶板上对多束光重叠的干涉区域进行单次曝光，经过显影即得可变周期光子晶体。

通过调节多光束生成元件上的反射镜角度可使微纳结构的周期精确变化。

本发明所述多光束生成元件为能够产生三维光子晶体的元件，该多光束生成元件包括4个反射镜和4个量角器，4个反射镜为反射率高达99％的反射镜，4个量角器为可以精确测量角度的量角器，4个反射镜分别位于正四边形的四个边上；4个反射镜的角度可在0°～45°变化，可通过边上的量角器进行精确测量，通过改变反射镜的角度即可改变相干光之间的夹角，从而精确控制微纳结构的周期。使用时，只需调节反射镜至适当的角度就可以改变沿法线方向过来的平行光的光路；只要保证4个反射镜的角度相同就可使这些相干光汇聚在特定位置上。

与现有技术比较，本发明的工作原理及有益效果如下：

本发明运用五束光全息干涉术制造三维光子晶体，利用特殊的多光束生成元件搭建干涉光路，可通过改变反射镜的角度来改变相干光之间的夹角，获得周期连续可调的光子晶体。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五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。本发明的关键在于采用了特殊的多光束生成元件能够对相干光的夹角进行精确调控，从而有效精准地控制光子晶体的周期。这种元件与现有的多光束干涉装置相比，具有以下优点：光路简单，操作简便，器件要求低，成本低廉，调控尺度大，稳定性好，实用性强，有效制备面积大。另外，还有一种基于透镜准直、聚焦的干涉镜头也可实现多光束干涉光刻，经分光元件分光后的各束光经透镜准直后再由聚焦透镜进行合束，在待刻样片表面形成干涉。然而，这种干涉装置并不能调节各光束在样片表面的入射角，光刻所得结构的周期不能连续可调，因此限制了该干涉镜头的实际应用。

本发明克服了现有多光束干涉光刻系统存在的光路复杂、光束入射角调整困难等缺点，利用该系统，仅需通过调节反射镜的角度即可改变各光束的光路，即可实现相干光之间夹角的连续可调并精准控制，从而获得周期连续可调的三维光子晶体。本发明操作简单，实用性强，成本低廉，可移植性强，可作为光学器件广泛应用于实验室的研究与工业的生产中。

附图说明

图1是本发明实施例的结构组成示意图。

图2为多光束生成元件结构的主视示意图。

图3为多光束生成元件结构的剖面示意图。在图3中，反射镜上的圆弧箭头表示反射镜可以绕着支点来回转动，转动角度为0°～45°。

图4为本发明运行时多光束生成元件工作原理图。在图4中，当凸透镜产生的平行光束经过多光束生成元件后，被分成了五束相干光，这些相干光聚集在光刻胶板的特定位置上，标记E0、E1、E2、E3、E4分别代表其中一束相干光，E0为垂直通过方孔的平行光(不受反射镜影响的部分)；E1、E2、E3、E4为分别由4个反射镜所产生的平行光；6：光刻胶板。

图5为通过MATLAB软件模拟的由多光束干涉光刻设备所制备出的光子晶体结构。在图5中，阴影部分61、62代表光刻胶被曝光的区域，通过显影这些区域会被溶解掉变成一个个坑，其余的空白区域63则代表没有被曝光的区域，则这些区域通过显影后会被保留下来。可以看到经过曝光以后，光刻胶上的结构具有很好的周期性，并且是双周期的，这种特殊结构是该装置能够制备出的结构之一。通过改变反射镜的不同组合还可以制备出各种不同的结构。因为正性光刻胶的工作原理是经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化，从而变成可溶物质，经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明。

本发明是基于多光束干涉法制造可变周期光子晶体的装置，当要用该装置来制备三维光子晶体，需通过以下步骤实现：

步骤1：如图1所示，在激光器1输出激光的传播方向放置空间滤波器2，同时要求空间滤波器2的出光口需处于凸透镜4的焦点处，当激光经空间滤波器2扩束后，激光会变成一束发散光，因为这束发散光的发散点处于凸透镜4的焦点处，故通过凸透镜4后会变成一束平行光，可以根据需要使用光阑3调节发散光照射到凸透镜上的区域大小，从而控制平行光束的截面积大小，在这束平行光的光路上放置多光束生成元件5，当平行光束照射到多光束生成元件5上会被元件上的反射镜改变光路，从而产生多束相干的平行光束。从图2与图3中可以看到多光束生成元件5上的4个反射镜511～514都可以绕着支点随意转动，具体角度可以通过4个量角器521～524上的刻度读出，调节反射镜于适当角度，可使由这些反射镜产生的平行光通过元件5上的方形孔汇聚到元件5的后方，在光聚集的区域放置光刻胶固定台，最后在固定台上放入光刻胶6即可进行曝光实验。

在图2中，标记53为底板，54为通光孔。在图3中，标记55为转动支点，56为刻度。

图4给出本发明运行时多光束生成元件工作原理图。在图4中，当凸透镜产生的平行光束经过多光束生成元件后，被分成了五束相干光，这些相干光聚集在光刻胶板的特定位置上，标记E0、E1、E2、E3、E4分别代表其中一束相干光，E0为垂直通过方孔的平行光(不受反射镜影响的部分)；E1、E2、E3、E4为分别由4个反射镜所产生的平行光；6：光刻胶板。

步骤2：固定激光器的输出功率为100mw，曝光时间为120s，曝光时间的长短会影响做出来结构的纵向深度，曝光时间更长则深度相对更深，可根据需要，改变曝光时间。曝光之后将光刻胶放到溶度为1％的氢氧化钠溶液中显影，显影时间的长短也会影响显影效果，一般控制在10s左右，效果更好。具体情况视曝光时间而定，一般曝光时间长，其所需的显影时间会短一些。显完影后用清水冲干净，再放于干燥处自然晾干或者用氮气枪吹干。完成这些步骤三维光子晶体就已经制备完成了。

步骤3：通过以上的两个步骤可以制备出一种特定周期的光子晶体，若需要改变光子晶体的周期就需进行以下步骤，调节多光束产生元件5上的反射镜，即可调节由这些反射镜产生的相干光之间的夹角。图5给出通过MATLAB软件模拟的由多光束干涉光刻设备所制备出的光子晶体结构。在图5中，阴影部分61、62代表光刻胶被曝光的区域，通过显影这些区域会被溶解掉变成一个个坑，其余的空白区域63则代表没有被曝光的区域，则这些区域通过显影后会被保留下来。可以看到经过曝光以后，光刻胶上的结构具有很好的周期性，并且是双周期的，这种特殊结构是该装置能够制备出的结构之一。通过改变反射镜的不同组合还可以制备出各种不同的结构。因为正性光刻胶的工作原理是经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化，从而变成可溶物质，经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像。由图5可以看到反射镜与量角器之间有一个夹角θ，这个角度可以通过量角器上的刻度尺精确读出。由几何关系，可以发现处于对位的两束光比如E1与E3或E2与E4，它们之间的夹角刚好等于4θ，而这个θ可以在0°～45°之间连续变化，也就是这些光的夹角可以在0°～180°之间连续变化，因此所制备的光子晶体的周期就涵盖了最大与最小之间的所有可能性，如此大的调控范围也是本设备的特点之一。

步骤4：若仅仅想要4束光的干涉，则可以在多光束产生元件5的方形孔正前方放置一个挡光屏，这个挡光屏可以有效地挡住垂直通过方形孔的光，即不让E0产生，这样就可以实现E1、E2、E3、E4这四束光之间的干涉。另外，若想实现双光束干涉，则仅需在以上的基础上，将其中一对处于对位的反射镜角度调至0°即可。

步骤5：若将上一个步骤中的挡光屏换成是一个半波片，则可以调节E0与另外四个相干光之间的相位差。

其中步骤1所述的激光器为氩离子激光器，工作波长为457.9nm，功率变化范围是0到120mw，电流变化范围是0～55A，稳定性较好。

其中，所述的反射镜是反射率高达99％的镜片，反射镜的反射率越高，产生的分光束就与原来的光越接近，干涉效果越好。