专利名称：单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用单折射棱镜大面积制作多结构光子晶体和光子准晶的方法和装置，所制作晶体结构包括二维和三维周期性光子晶体结构和光子准晶结构，如正六角、斜六角、蜂窝光子晶体结构以及具有完全大带隙的十重或五重旋转对称光子准晶结构寸。
背景技术：
光子晶体是一种介质折射率呈周期变化的人造晶体，它对光子像半导体对电子一样存在带隙，被称为光子带隙，在光子带隙内的光波将被禁止在光子晶体中传播。此特性使得光子晶体具有许多重要的应用，例如制备高效率发光二极管、无阈值激光器等，并且在全光通信网络、高密度光存储、直角波导、超棱镜等方面获得重要应用。光子晶体的制作方法有很多种，如打孔法、堆积法、胶体自组装法、电子束或粒子束刻蚀法等，这些方法不仅制备过程复杂，而且不易得到多层或大面积的光子晶体。在实用新型专利200410003007. 5中提出用衍射光栅板全息干涉的方法制作三维光子晶体，该装置设备简单、稳定性好、操作简便，缺点是1、只能制作六角结构的二维和三维光子晶体；2、一般光栅衍射效率比较小，直接影响干涉光强和光子晶体的质量；3、光栅其他级次的干涉会对全息光子晶体结构造成破坏；4、光栅板的制作有一定的难度。而实用新型专利200610122343. 0只是将200410003007. 5中的准直透镜去掉，采用球面波多光束干涉的方式制作光子晶体，将分光束用的光栅版改为组合光学元件。但从专利描述中，所用组合光学元件与前面的光栅版一样都是记录三组成120°角的全息图的基板。综合来说两个专利都是通过衍射方式进行分束产生多光束干涉全息光子晶体。另外在实用新型专利 200510018703. 8中，提出一种用八面体折射光学元件制作全息光子晶体的思想，但是没有给出这种折射元件的优化设计思想以及其各种参数与光子晶体结构之间的关系，重要的是这种折射元件只能制作周期性光子晶体结构，而周期性光子晶体结构的缺陷是具有完全带隙的折射率阈值非常大，目前只能通过半导体等大折射率材料来实现。本实用新型提出的单折射棱镜，既可以用来制作不同结构的周期光子晶体，又可以制作光子准晶结构。准晶结构相对于光子晶体结构来说，不具有平移对称性，而具有更高的旋转对称性；准晶结构具有完全带隙的折射率阈值比光子晶体小得多，这样就可以在折射率比较低的聚合物材料中实现完全大带隙光子准晶的快速、大面积制作，大大降低了制作成本，并且方便实现光电子器件的集成化和可调谐。
实用新型内容本实用新型旨在提供一种单折射棱镜大面积制作不同结构全息光子晶体的方法以及其制备时所用的一种装置。本实用新型是通过单棱镜折射方式进行分束合束产生多光束干涉全息光子晶体及光子准晶的，折射效果远远优于衍射效果，而且易于产生高对比度的干涉图及高质量的光子晶体和准晶结构。
3[0005]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案它包括激光器，作为装置的光源；扩束滤波器，它设置在激光器的输出光路上；所述的扩束滤波器由扩束用显微物镜和小孔滤波器组成；透镜，用于对扩束后的光源进行准直，得到平行光束；无顶单折射棱镜，所述的平行光束入射到无顶单折射棱镜上，在单折射棱镜出射端产生多光束干涉场；光敏记录板，它设置在干涉场区域内。所述的光敏记录板包括有机光抗材料版、银盐干版或聚合物分散液晶材料版。所述的无顶单折射棱镜为高透明度的玻璃棱镜或者石英棱镜。所述的无顶单折射棱镜为无顶六角棱镜或无顶五角棱镜。在所述的无顶六角棱镜或无顶五角棱镜中，上、下底面面积不等，各侧面面积相同，且侧面与底面形成的夹角相同。采用上述技术方案的本实用新型，结构非常简单，只需一个无顶的单折射棱镜即可形成多光束干涉的不同结构利用六角棱镜可以产生三光束、四光束、五光束、六光束以及七光束的干涉，利用五角棱镜可以产生十重旋转对称的光子准晶结构。干涉场包括二维和三维的周期光强分布。在干涉区域放置光敏材料，经曝光和处理后，即可得到折射率周期变化的二维或三维的光子晶体和光子准晶结构。该结构也可作为模版被转移到其它折射率的材料上，形成不同折射率对比度的光子晶体及准晶结构。大大简化了光子晶体的制作过程、实现了大面积一步快速制作。
图1为本实用新型制备多结构光子晶体的装置结构示意图。图2为无顶单六角棱镜结构示意图。图3为无顶单六角棱镜多光束干涉方向示意图。图4为无顶单五角棱镜结构示意图。图5为无顶单五角棱镜多光束干涉方向示意图。
具体实施方式
一种单折射棱镜大面积制作全息光子晶体的方法，将激光经扩束和滤波后得到平行光束，将平行光束入射到一个无顶的单折射棱镜上，在单折射棱镜出射端产生多光束干涉场。其中，利用六角棱镜可以产生三光束、四光束、五光束、六光束以及七光束的周期干涉场，利用五角棱镜可以产生十重或五重旋转对称的准周期干涉场等。上述的多光束干涉场包括二维和三维的周期光强分布；且在所述的干涉场区域内设置光敏材料，经曝光和处理后，即可得到折射率周期变化的二维或三维光子晶体和光子准晶结构。该结构也可作为模版被转移到其它折射率的材料上，形成不同折射率对比度的光子晶体或准晶结构。如图1所示，本实用新型中单折射棱镜大面积制作全息光子晶体的装置，包括激光器1、扩束滤波器2、透镜3、无顶单折射棱镜4和光敏记录板5。其中，激光器1作为装置的光源，它输出波长对光敏记录板5敏感的激光，如355nm、633nm的波长等等。扩束滤波器2设置在激光器1的输出光路上，上述的扩束滤波器2由扩束用显微物镜和小孔滤波器组成。透镜3用于对扩束后的光源进行准直，得到平行光束。上述的平行光束入射到无顶单折射棱镜4上，在无顶单折射棱镜4出射端产生多光束干涉场。在干涉场区域内，设置光敏记录板5。上述的光敏记录板5包括有机光抗材料板、银盐干版或聚合物分散液晶材料板等寸。如图2所示，无顶单折射棱镜4为无顶六角棱镜。无顶六角棱镜是由两个面积不等的上、下底面41和六个侧面42组成。六个侧面42面积相同，且与底面41夹角相同，它们对称分布在棱镜周围。如图3所示，一束光透过棱镜之后由于棱镜的折射作用变为七束， 即中心光束和对称的六束侧面光，其中相邻侧面光之间的平面夹角为60°。加入中心光束， 可得到三维的干涉光场；将中心光束遮挡，即可得到最多六束光的二维干涉场，干涉场的结构包括周期大小不同的正六角结构、介质柱形状和方向不同的斜六角结构、蜂窝状结构等等。其中，在周期大小不同的正六角结构中，六束光干涉和对称三束光干涉分别形成大周期和小周期结构；介质柱形状和方向不同的斜六角结构是由相邻三束光干涉所得；蜂窝状结构是由六束光干涉，改变光束相互之间的初位相所得。六角形介质柱和空心介质柱结构是考虑六束光偏振特性的差异所得到的。任意一种二维结构的干涉光束与中心光束组合干涉都能得到相应的三维结构。干涉场的周期与棱镜侧面和底面的夹角a有关。在产生干涉图案的区域放置感光层为几微米甚至几十微米的光敏介质板5，经过曝光及处理后，即制作成与干涉场周期分布相应的二维或三维光子晶体结构，各种光子晶体结构的带隙都不相同。 曝光与处理方法由所用的感光材料决定，且曝光和处理的方法为本领域普通技术人员所熟知的技术。另外也可以在光敏记录板之后加一反射镜来改变干涉光束数量以及极大地减小第三维方向的周期。如图4所示，无顶单折射棱镜4为无顶五角棱镜。如图5所示，一束光经过棱镜的底面4' 1和五个侧面4' 2折射之后将变成六束光，即中心光束和对称的五束侧面光，其中相邻侧面光的平面夹角为72°，六束光干涉形成十重旋转对称的三维光子准晶结构，遮挡中心光束即可得到相应的二维光子准晶结构。准晶结构相对于周期性的光子晶体结构， 更容易产生完全的大光子带隙，而且产生完全光子带隙的折射率阈值低得多。准晶结构的周期同样与棱镜侧面和底面的夹角a有关。需要说明的是，侧面光束与中心光束的夹角j是由棱镜底面与侧面的夹角a来决定的，所以要根据所需要的光子晶体结构来设计棱镜侧面与底面的夹角。在六角棱镜七束光干涉装置中，角度j、光子晶体(干涉场)在三维坐标Cr、方向的周期与棱镜侧面与底面的夹角a有如下的关系
权利要求1.一种单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置，其特征在于，它包括激光器，作为装置的光源；扩束滤波器，它设置在激光器的输出光路上；所述的扩束滤波器由扩束用显微物镜和小孔滤波器组成；透镜，用于对扩束后的光源进行准直，得到平行光束；无顶单折射棱镜，所述的平行光束入射到无顶单折射棱镜上，在单折射棱镜出射端产生多光束干涉场；光敏记录板，它设置在干涉场区域内。
2.根据权利要求1所述的单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置，其特征在于所述的光敏记录板包括有机光抗材料版、银盐干版或聚合物分散液晶材料版。
3.根据权利要求1所述的单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置，其特征在于所述的无顶单折射棱镜为高透明度的玻璃棱镜或者石英棱镜。
4.根据权利要求3所述的单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置，其特征在于所述的无顶单折射棱镜为无顶六角棱镜或无顶五角棱镜。
5.根据权利要求4所述的单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置，其特征在于在所述的无顶六角棱镜或无顶五角棱镜中，上、下底面面积不等，各侧面面积相同，且侧面与底面形成的夹角相同。
专利摘要一种单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置，它包括激光器、扩束滤波器、透镜、无顶单折射棱镜和光敏记录板。本实用新型结构非常简单，只需一个无顶的单折射棱镜即可形成多光束干涉的不同结构利用六角棱镜可以产生三光束、四光束、五光束、六光束以及七光束的干涉，利用五角棱镜可以产生十重旋转对称的光子准晶结构。干涉场包括二维和三维的周期光强分布。在干涉区域放置光敏材料，经曝光和处理后，即可得到折射率周期变化的二维或三维的光子晶体和光子准晶结构。该结构也可作为模版被转移到其它折射率的材料上，形成不同折射率对比度的光子晶体及准晶结构。大大简化了光子晶体的制作过程、实现了大面积一步快速制作。
文档编号G03H1/04GK202013486SQ20102068435
公开日2011年10月19日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者孙晓红 申请人:郑州大学