CN100406931C - 三维光子晶体制备方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

涉及一种用全息方法制备三维光子晶体的方法及装置。将激光经扩束空间滤波，再变成扩束的平行光照射到光栅板上，在光栅板后产生4束光干涉，在干涉区域放置记录干板，再经曝光显影。设有激光器、扩束与空间滤波器、准直透镜、光栅板和全息记录干板，光栅板对扩束后的平行光形成4束光干涉。只需单束激光和光栅板就能产生四束光，并以期望的方向运行。四束光汇合后在自由空间互相干涉，产生了光强度周期性变化的三维图形。用光敏材料产生折射率周期性变化的三维晶格结构。只要晶格结构中的二种折射率之比够大，就能产生光子禁带，该材料就能用做光子晶体。若用光刻胶板做记录材料，亦可将记录下的结构当作模板，用高折射率材料翻制成光子晶体。

Description

三维光子晶体制备方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种用全息方法制备三维光子晶体的方法及其装置。
背景技术
光子晶体是由不同折射率的电介质材料周期性排列而形成的人造晶体。与天然晶体衍射X射线不同，光子晶体衍射的是可见光和近红外线。类似半导体材料对电子有能量禁带，光子晶体对光波有光禁带，即频率在某一范围内的光波将无法通过特定的光子晶体，而被完全反射回来。此特性使得光子晶体有着许多重要的应用，例如制备高效率发光二极管、光子晶体光纤、光子晶体激光器等，并在光通信、全光网络、光纤激光器、半导体激光器等系统和器件中获得重要应用。
光子晶体的制作方法有多种，如层层叠加法、胶体自组织法，以及各种刻蚀、制版技术，包括X射线平板刻蚀、离子束刻蚀、掠射角沉积和调制光电化学刻蚀等技术。这些方法不仅制备过程复杂，而且不易得到多层的光子晶体。在所报道的(见文献M Campbell，DN Sharp，M T Harrison，et al，Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum by holographiclithography，Nature，2000，404：53-56。)全息技术中，四束光干涉技术的制备过程最快，但目前所采用的四束激光是用许多光学元件将一束激光分成四路，再经半波片将各光路的偏振方向转成同一方向，然后再对各束光进行扩束、准直。
发明内容
本发明旨在提供一种稳定性好、设备简单、操作简便的制备三维光子晶体的方法及其制备时所用的一种装置。
本发明所说的三维光子晶体制备方法是将激光经扩束与空间滤波，再变成扩束的平行光，将扩束后的平行光照射到光栅板上，在光栅板后产生4束光干涉，在干涉区域放置全息记录干板，经曝光显影后，即得三维光子晶体。
为了制备三维光子晶体，本发明给出一种制备三维光子晶体的装置，它设有激光器，在激光器输出激光的光路上依次设有1个扩束与空间滤波器、1个准直透镜、1个光栅板和1块全息记录干板。所说的激光对全息记录干板敏感，例如442nm和458nm波长对光刻胶板敏感。所说的光栅板对扩束后的平行光形成4束光干涉。
本发明采用很少的光学元件，只需单束激光和一个光栅板就能产生四束光，并以期望的方向运行。四束光汇合后在自由空间互相干涉，产生了光强度周期性变化的三维图形。用光敏材料将图形记录下来，就在材料中产生了折射率周期性变化的三维晶格结构。只要晶格结构中的二种折射率之比足够大(如达到2.1以上)，就能产生光子禁带，该材料就能用做光子晶体。如果用光致抗蚀剂干板(简称光刻胶板)做记录材料，亦可将记录下的结构当作模板，用高折射率材料翻制成光子晶体。而且其制备过程简单。
附图说明
图1为三维光子晶体制备装置实施例的结构示意图。
图2为三维光子晶体制备装置实施例的光栅板的结构示意图。
图3为4束干涉光方向示意图。
具体实施方式
如图1所示，激光器1输出一束波长对记录干板5敏感的激光(如442nm和458nm波长对光刻胶板敏感)，经扩束滤波器2扩束及空间滤波后，被一透镜3准直，然后照射到一块光栅板4上。如图2所示，光栅板4上面制作了三个光栅41。在光栅板4的中心有一块空白区域42，形状没有固定要求，可以是四方形，圆形或三角形等。三个光栅41围绕着中心区域，各光栅之间相差120°。透过光栅板的光形成了四束(参见图3)，一束中心光束从光栅板4中心的空白区域42(如图2中的方形)透过并沿光轴传播，运行方向没有任何改变；另外三束光分别由三个光栅41的一级衍射光形成，运行方向与光轴形成一夹角θ，该角度即光栅的第一级衍射角。由于三个光栅的光栅常数完全相同并对称排列，三束衍射光以相同的角度θ偏离原来的运行方向，拐向中心光束的方向。透过光栅板的四束光(中心光束和三个衍射光束)在光栅板之后汇合，在汇合区域产生干涉。干涉图案具有三维周期性结构，该结构与三个光栅的衍射角(即中心光束与其它三个光束之间的夹角)有关。在产生三维结构图案的区域内放置一块感光胶较厚(几微米以上)的全息记录干板5(如光刻胶板)，对干板曝光然后显影，即制作成三维光子晶体。曝光和显影与通常制作全息图的方法相同。
光栅板可采用摄影制版材料或全息记录材料，最好光栅板必须有较好的透明度，以让更多的光通过。光栅板上的光栅可以用摄影制版的方法制作，也可以用全息记录方法制作。当用全息方法制作时，所用材料是全息记录干板，记录的是透射式光栅。由于晶格结构与光栅的衍射角有关，而光栅的衍射角又与光栅的条纹间隔有关，所以在制作光栅时必须选择合适的条纹间隔，使得光栅的一级衍射角是所期望的角度。对三个光栅41和中心空白区域42的面积没有严格要求，但最好光栅的一级衍射光的面积与从中心空白区域透过的光的面积接近，这样可以充分利用光源，使四束光的干涉区域达到最大，有利于制作大面积三维光子晶体。

Claims (5)

1.三维光子晶体制备方法，其特征在于将激光经扩束与空间滤波，再变成扩束的平行光，将扩束后的平行光照射到光栅板上，所述的光栅板的中心设有一空白区域，围绕光栅板中心区域设有3个周期相同的光栅，3个光栅之间相隔120°，在光栅板后产生4束光干涉，在干涉区域放置全息记录干板，经曝光显影后，即得三维光子晶体。
2.三维光子晶体制备装置，其特征在于设有激光器，在激光器输出激光的光路上依次设有1个扩束与空间滤波器、1个准直透镜、1个光栅板和1块全息记录干板，所述的光栅板的中心设有一空白区域，围绕光栅板中心区域设有3个周期相同的光栅，3个光栅之间相隔120°，所述的光栅板对扩束后的平行光形成4束光干涉。
3.如权利要求2所述的三维光子晶体制备装置，其特征在于所述的全息记录干板为对激光敏感的全息记录干板。
4.如权利要求2所述的三维光子晶体制备装置，其特征在于所述的光栅板为摄影制版材料或全息记录材料。
5.如权利要求2或4所述的三维光子晶体制备装置，其特征在于所述的光栅板的空白区域的形状为四方形，圆形或三角形。
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