专利名称：太赫兹波段光子晶体制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太赫兹波段的光子晶体的加工制作方法。
背景技术：
由于超快光子学和太赫兹时域光谱(TDTS)技术[D. H. Auston, K. P. Cheung, and P. R. Smith. Picosecond photoconducting HertziandipoIes. App1. Phys. Lett. 45，284 (1984).]的发展，太赫兹波段的研究与应用引起人们的广泛关注。随着太赫兹技 术在医学成像、无损探测、科学研究以及无线通讯等方面的应用，各种太赫兹波段的设备及 光子器件开始被研发出来。
在太赫兹技术出现的同一时期，光子晶体(PCs)的奇特的光学性质也被报道出 来[E. Yablonovitch.1nhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics. Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987)·]。某些频段的电磁波可以被光子晶 体完全反射，某些频段的电磁波可以被限制在光子晶体的某些特殊位置，可以通过对光子 晶体缺陷模式的设计，来实现光子的高度局域化，从而实现光波的人工调控。与传统设备相 比，在实现相同功能的情况下，光子晶体设备所占空间更小，因此使用光子晶体设备可以提 高光与电子设备的集成度。光子晶体的研究工作一般集中在光子晶体的设计与制作，以及 光子晶体对光学波段和微波波段光波的控制等方面。
太赫兹波段光子晶体能够对太赫兹波段电磁波进行调节和控制。太赫兹波段光子 晶体的周期结构尺度一般为百微米量级。选取合适的介质材料，通过结构设计，可以制成一 维、二维和三维太赫兹波段光子晶体。在太赫兹波段，材料对电磁波的响应一般会涉及到材 料中自由载流子和声子等。因此，对材料特性的研究与选取也是太赫兹波段光子晶体研究 的重要组成部分。发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的不足提供一种太赫兹波段光子晶体的制 作方法，所制成的光子晶体具有光子禁带(PBG)，可以对电磁波进行调制。利用太赫兹波段 光子晶体可以制成太赫兹波段光子器件，可用于科学研究以及实际生产应用。
为达到上述目的，本发明的构思是尽管太赫兹波段光子晶体的周期尺度在百微米量级，与可见光波段光子晶体相比，便 于加工，但是在制作二维或三维太赫兹波段光子晶体时，仍然具有一定的难度，在制作具有 特定缺陷的二维或三维太赫兹波段光子晶体时难度更高。本发明通过选择适当材料，利用 飞秒微加工直写技术，分散加工，组装堆叠的方法，可以很简便的制作二维或三维太赫兹波 段光子晶体，可以方便的在其中添加缺陷。
本发明的太赫兹波段的光子晶体，其结构为介质材料成周期性排列，周期排列的 介质材料单元尺寸为百微米量级，周期排列的介质材料对太赫兹波段电磁波进行散射，形 成光子带隙。太赫兹波段光子晶体整体一次性加工比较困难，可将光子晶体分解成多层介质材料的叠加组合，对每层介质材料单独进行加工，最后进行组装，得到一维、二维或三维结构的太赫兹波段光子晶体。根据上述发明构思，本发明采用的技术方案如下
一种太赫兹波段光子晶体制作方法，其特征在于操作步骤如下
1.按照需要设计光子晶体的结构，并将其分解为多层周期结构和缺陷层结构的叠加，得到各周期层和缺陷层的结构及其尺寸；
2.选取薄片状介质材料作为光子晶体周期性介质材料，薄片状介质材料的厚度与步骤I得到的各层的厚度相同；
3.按照各层的结构，使用飞秒微加工直写技术对薄片状介质材料进行加工；
4.组装带有结构的薄片状介质材料，得到立体结构的太赫兹波段光子晶体。上述制作方法步骤I中，周期层的厚度与周期介质的单元尺寸相同为最佳，便于加工组装。上述制作方法步骤2中，选取的薄片状介质材料应对太赫兹波段电磁波无吸收或吸收率很低，在太赫兹波段的折射率应与空气的折射率之差较大，应便于微加工成型，如石英玻璃、硅、纸等。上述制作方法步骤3中，飞秒微加工的过程中，应充分考虑激光光斑直径，激光焦点到材料表面的距离根据介质材料厚度适当调整，加工出的结构应形状标准，误差应远小于光子晶体对应的太赫兹波段电磁波波长，加工截面相对于光子晶体对应的太赫兹波段电磁波应足够光滑。上述制作方法步骤4中，组装时各层介质材料应对应整齐，其误差应远小于光子晶体对应的太赫兹波段电磁波波长。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
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少:
本发明的太赫兹波段光子晶体制作方法，利用飞秒微加工直写技术，对较复杂的光子晶体结构分层进行加工，最后进行组装，得到的太赫兹波段光子晶体的单元形状规整，能够良好的对太赫兹波段电磁波进行调节控制，具有理想的太赫兹波段电磁波透射谱以及反射谱，对研究光子晶体中电磁波的传输特性以及制作光子器件用于实际生产应用有重要意义。本发明的太赫兹波段光子晶体制作方法，能够用于制作多种结构的一维、二维以及三维太赫兹波段光子晶体，可以灵活的在一维、二维以及三维太赫兹波段光子晶体中添加缺陷，可以制成太赫兹波段光子晶体滤波片以及太赫兹波段光子晶体波导等太赫兹波段光子器件。本发明的太赫兹波段光子晶体制作方法，可以制成包括光子晶体在内的多种复杂结构的太赫兹波段光子器件。
图1为二维光子晶体示意图。图2为二维点缺陷光子晶体示意图。图3为二维点缺陷光子晶体示意图。图4为二维线缺陷光子晶体示意图。图5为二维光子晶体不意图。图6为光子晶体单层结构示意图。图7为太赫兹波段二维光子晶体实验透射频谱图。具体实施方案
下面结合附图，通过优选实施例进一步对本发明进行说明，但其保护范围绝不限 于实施例。
实施例一参见图1 图6，本太赫兹波段光子晶体制作方法，其特征在于操作步骤为1)按照需 要设计光子晶体的结构，将其分解为多层结构的叠加，得到每层的结构及其尺寸；2)选取薄 片状介质材料作为光子晶体周期性介质材料，薄片状介质材料的厚度与步骤I)得到的各 层的厚度相同；3)按照各层的结构，使用飞秒微加工直写技术对薄片状介质材料进行加工； 4)组装带有结构的薄片状介质材料，得到一维、二维或三维的太赫兹波段光子晶体。
实施例二本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述步骤2)选取的薄片状介质材料采用 对太赫兹波段电磁波无吸收或吸收率很低的介质材料，所述对太赫兹波段电磁波无吸收或 吸收率很低的介质材料为石英玻璃、或硅、或纸。
实施例三本太赫兹波段光子晶体制作方法的操作步骤如下首先，按照光子晶体设计需求，选取石英玻璃作为光子晶体周期性材料。其次，根据光 子晶体对应的波长，选定光子晶体的尺寸，按照光子晶体的结构，将光子晶体分层分解。光 子晶体结构如图1所示，周期单元呈面心排列，单元介质柱截面形状为正方形。分解后周期 层的结构如图6所示，其结构为一列截面为正方形的介质柱等间距排列。再次，使用飞秒微 加工直写，按尺寸将选取的薄片状介质材料加工成多组如图6所示的结构。最后，将加工成 型的介质材料按顺序排列组装，最后获得如图1所示的太赫兹波段二维光子晶体。
此太赫兹波段光子晶体可对太赫兹波段电磁波进行调节控制，可形成光子带隙。
实施例四本太赫兹波段光子晶体制作方法的操作步骤如下首先，按照光子晶体设计需求，选取石英玻璃作为光子晶体周期性材料。其次，根据光 子晶体对应的波长，选定光子晶体的尺寸，按照光子晶体的结构，将光子晶体分层分解。光 子晶体结构如图2所示，周期单元呈面心排列，单元介质柱截面形状为正方形，其中位于光 子晶体中心位置的一个单元介质柱被去掉，形成点缺陷。分解后周期层的结构如图6所示， 其结构为一列截面为正方形的介质柱等间距排列。再次，使用飞秒微加工直写，按尺寸将选 取的薄片状介质材料加工成多组如图6所示的结构。其中某一组在加工时，去除其中某一 个介质柱，其他介质柱位置不变。最后，将加工成型的介质材料按顺序排列组装，最后获得 如图2所示的太赫兹波段二维点缺陷光子晶体。
此太赫兹波段光子晶体可对太赫兹波段电磁波进行调节控制，可形成光子带隙。 由于光子晶体中加入点缺陷，可形成缺陷模。
实施例五本太赫兹波段光子晶体制作方法的操作步骤如下首先，按照光子晶体设计需求，选取石英玻璃作为光子晶体周期性材料。其次，根据光 子晶体对应的波长，选定光子晶体的尺寸，按照光子晶体的结构，将光子晶体分层分解。光子晶体结构如图3所示，周期单元呈面心排列，单元介质柱截面形状为正方形，其中位于光子晶体中心应该是背景材料的位置添加了介质材料，形成点缺陷。分解后周期层的结构如图6所示，其结构为一列截面为正方形的介质柱等间距排列。再次，使用飞秒微加工直写，按尺寸将选取的薄片状介质材料加工成多组如图6所示的结构。其中某一组在加工时，保留某两个介质柱中间的介质材料，其他介质柱位置不变。最后，将加工成型的介质材料按顺序排列组装，最后获得如图3所示的太赫兹波段二维点缺陷光子晶体。此太赫兹波段光子晶体可对太赫兹波段电磁波进行调节控制，可形成光子带隙。由于光子晶体中加入点缺陷，可形成缺陷模。实施例六
本太赫兹波段光子晶体制作方法的操作步骤如下
首先，按照光子晶体设计需求，选取石英玻璃作为光子晶体周期性材料。其次，根据光子晶体对应的波长，选定光子晶体的尺寸，按照光子晶体的结构，将光子晶体分层分解。光子晶体结构如图4所示，周期单元呈面心排列，单元介质柱截面形状为正方形，其中，周期排列的某一列单兀介质柱被去掉，使排列方式相同的两列介质柱连接在一起，形成线缺陷。分解后周期层的结构如图6所示，其结构为一列截面为正方形的介质柱等间距排列。再次，使用飞秒微加工直写，按尺寸将选取的薄片状介质材料加工成多组如图6所示的结构。最后，将加工成型的介质材料按顺序排列组装，在组装过程中，在中间位置改变排列顺序，最后获得如图4所示的太赫兹波段二维线缺陷光子晶体。此太赫兹波段光子晶体可对太赫兹波段电磁波进行调节控制，可形成光子带隙。由于光子晶体中加入线缺陷，可形成缺陷模。
权利要求
1.一种太赫兹波段光子晶体制作方法，其特征在于操作步骤为1)按照需要设计光子晶体的结构，将其分解为多层结构的叠加，得到每层的结构及其尺寸；2)选取薄片状介质材料作为光子晶体周期性介质材料，薄片状介质材料的厚度与步骤I)得到的各层的厚度相同；3)按照各层的结构，使用飞秒微加工直写技术对薄片状介质材料进行加工；4)组装带有结构的薄片状介质材料，得到一维、二维或三维的太赫兹波段光子晶体。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段光子晶体制作方法，其特征在于所述步骤2)选取的薄片状介质材料采用对太赫兹波段电磁波无吸收或吸收率很低的介质材料。
3.根据权利要求2所述的太赫兹波段光子晶体制作方法，其特征在于所述对太赫兹波段电磁波无吸收或吸收率很低的介质材料为石英玻璃、或硅、或纸。
全文摘要
本发明涉及一种太赫兹波段光子晶体制作方法。本发明通过选择适当材料，利用飞秒微加工直写技术，分散加工，组装堆叠的方法，可以实现一维、二维或者三维太赫兹波段光子晶体的制作，可以方便的在制作的太赫兹波段光子晶体中添加缺陷。本发明制作的光子晶体对应的波段处于太赫兹波段，位于微波和红外波之间，光子晶体周期介质单元尺寸在百微米量级。本发明制作的光子晶体周期介质的单元形状规整，能够良好的对太赫兹波段电磁波进行调节控制，具有理想的太赫兹波段电磁波透射谱以及反射谱。本发明的制作方法，可以制作包括光子晶体在内的多种复杂结构的太赫兹波段光子器件。
文档编号G02B6/13GK103064146SQ201210446050
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者张文涛, 林贤, 马国宏, 岳中岳, 钟敏建, 戴晔 申请人:上海大学