CN102279556B - 相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明采用相位控制的光学全息制备法同近场扫描的逐点加工法进行微纳光子器件的制备技术。相位控制的全息制备法能够制备各种基本的布拉菲结构，基于单个棱台的光路设计简单紧凑，引入纯相位的空间光调制后结构和位置可调，以实现多种光子晶体周期结构制备。同时采用近场光学显微镜对相控全息所形成的光场分布进行高分辨检测与记录，实现近场探针的定位，可以对全息的周期光场分布进行选择性的缺陷加工。本发明的意义在于对光刻材料进行一次曝光，就可获得各种带功能缺陷的光子晶体结构。本发明是集成电子与计算机控制、光子检测、近场微区操控以及精密光机电系统等高新技术的综合实验技术，为微纳光子器件的设计与制备提供有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及全息光刻领域和扫描探针显微技术领域，具体涉及相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置及其应用方法。
背景技术
半导体被公认为20世纪最重要的发明，在此基础上，微电子、电子、计算机、互联网等已成为现代人生活中必不可少的工具。在半导体及大规模集成电路（ASIC）设计和制造中，光刻技术是一项必不可少的重要技术，它以尺寸小，规模大，成本低，效率高，品质好的优点成为很多工艺的首选。随着小型化技术革命的进行，光刻技术一直保持着足够的竞争力，符合Moore定理，将尺度不断做小，规模不断扩大。
但是，随着尺寸的不断缩小，半导体的瓶颈逐渐出现——散热问题。尺寸，运算速度及散热的要求，令科学家一直在寻求新的器件。1987年， S. John提出了光子晶体的概念，由此，在世界范围内掀起了一股光子晶体及微纳光子器件理论和制备的研究热潮，各种光功能器件，滤波器，甚至光集成电路和纳米光子系统都被设计出来。但是，具体样品的制备，特别是功能性光子晶体的大规模生产技术，至今仍没有很好的解决方案。
当前的微纳光子器件制备方法主要有以下几类：（1）化学自组织生长法，（2）逐点微加工法、（3）光学全息印刷法与（4）多步骤组合法。这些方法各有优缺点，其中，光学全息印刷法具有无缺陷，大体积，成本低，效率高，品质好的优点，借助光刻中小型化革命的关键技术，国内外多个科研院所与大专院校在全息印刷制备的理论与实验研究方面也取得了一些优异成果[8-11]，但是全息制造法仅仅局限于简单的周期微纳结构的材料制备。随着加工步骤的不断增多，加工成本更高，精确度也随之下降。对于意义更为重大的功能性微纳光子器件的制备，当前尚无简单实用的制备方法。
近场扫描光学显微镜（NSOM）是扫描探针显微镜的一种，它由激光器和探针构成“局域光源”，由带有超微动装置的“扫描平台”和由显微物镜等构成的“光学放大系统”三部分组成。近场显微镜用纳米局域光源在纳米尺度的近场距离照明样品，来自样品的局域光信号由显微物镜放大并经过光电接收器接收。NSOM用扫描技术使局域光源逐点网格状照明样品，然后由光电接收器接收这些光信号，再借助计算机把来自样品各点的局域光信号构画出样品的图像。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺点和不足，提供一种结构简单、成本较低、容易实现的相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置及其应用方法。
本发明通过以下技术方案予以实现的：
相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置及其应用方法，所述装置包括处理模块、全息相控模块和近场光学显微镜；
所述全息相控模块中激光通过滤波并扩束后分成多束单独的子光束，采用纯相位液晶空间光调制器对每一束光进行相位控制，最后各束子光束通过棱镜重叠在一起，形成周期的光场分布。使用该装置制作样品时，由于所有光都经过相同的光学元件，因此可以有效地消除因光学元件和光学平台震动对样品制备产生的影响。周期光场作用于光聚合材料（感光材料），便可以制备光子晶体模板。其中随着棱镜的替换和子光束的相位控制，可以得到不同的周期结构。为了合成出所需的2D与3D空间光场分布，在进行光场合成前需要开展数字模拟分析。
所述全息相控模块用于形成周期全息光场和获取近场显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置；
所述近场光学显微镜用于扫描周期全息光场分布，并根据所述全息光场分布对样品进行加工；
所述处理模块用于读取以及处理周期全息光场分布和探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置图像，并通过预设软件对近场光学显微镜和全息相控模块进行控制。
所述近场光学显微镜的载物平台为压电平移台。
所述全息相控模块采用纯相位液晶空间光调制器、棱镜和多通道电压驱动器，所述多通道电压驱动器用于驱动所述空间光调制器。
一种基于相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体的方法，包括处理模块、全息相控模块和近场光学显微镜，所述方法包括以下步骤：
1）通过全息相控模块形成样品的周期全息光场；
2）通过近场光学显微镜的探针，移动近场光学显微镜的载物平台扫描所述周期全息光场干涉条纹的空间分布，然后处理模块读取该空间分布图；
3）根据所述空间分布图，打开近场光学显微镜的探针的激光，近场光学显微镜的载物平台平移样品，对需要加工的地方，实现缺陷的加工。
根据近场光学显微镜的载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达和近场探针在全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置移动所述载物平台，进行扫描工作时，载物平台做XY扫描移动；载物平台的移动范围可以达到120um×120um，XY方向精度可以达到2nm，Z方向精度达到0.5nm。
通过近场光学显微镜，结合相位锁定技术，校准周期全息光场与载物平台的方向，获取所述由近场光学显微镜的载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达。
全息相控模块中利用光阑将纯相位液晶空间光调制器出射的某一束或几束光遮挡，由于所述全息相位装置的光束都是比较大的，很容易遮挡住，所以可以通过用手动去开关光阑，甚至可以直接用挡板去挡，从而获得周期全息光场某一方向的条纹，获取近场光学显微镜的探针处光强信息，再通过同样方法获得周期全息光场其他方向的条纹，同样获取近场光学显微镜的探针处的光强信息，通过计算，得出所述近场显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用相控全息印刷法结合近场光学点加工的方法进行功能性光子器件的制备，光场相位控制的全息印刷法，能够制备各种大面积的基本格子和简单的缺陷结构，近场扫描光学显微镜能够扫描出空间光场或样品形貌的分布并将激光倏逝至近场，实现各种缺陷的引入和形貌修复，在大规模生产前景上，采用特制器件能够近场倏逝缺陷结构，在完成基本该器件跟周期结构的定位后，可以进行大规模快速制备。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为本发明制备功能性光子晶体的方法的流程图；
图3为本发明全息相控模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明公开了一种相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置，所述装置包括处理模块、全息相控模块和近场光学显微镜；
所述全息相控模块用于形成周期全息光场和获取近场显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置；
所述近场光学显微镜用于扫描周期全息光场分布，并根据所述全息光场分布对样品进行加工；
所述处理模块用于读取以及处理周期全息光场分布和探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置图像，并通过预设软件对近场光学显微镜和全息相控模块进行控制。
所述全息相控模块采用纯相位液晶空间光调制器、棱镜和多通道电压驱动器，所述多通道电压驱动器用于驱动所述空间光调制器。
所述近场光学显微镜的探针的位置与所述周期全息光场相对固定。
所述近场光学显微镜的载物平台为压电平移台。
如图2，所示本发明公开了基于相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体的方法，包括处理模块、全息相控模块和近场光学显微镜，所述方法包括以下步骤：
1）通过全息相控模块形成样品的周期全息光场；
2）通过近场光学显微镜的探针，移动近场光学显微镜的载物平台扫描所述周期全息光场干涉条纹的空间分布，然后处理模块读取该空间分布图；
3）根据所述空间分布图，打开近场光学显微镜的探针的激光，近场光学显微镜的载物平台平移样品，对需要加工的地方，实现缺陷的加工。
根据近场光学显微镜的载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达和近场探针在全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置移动所述载物平台，进行扫描工作时，载物平台做XY扫描移动；载物平台的移动范围可以达到120um×120um，XY方向精度可以达到2nm，Z方向精度达到0.5nm。
通过近场光学显微镜，结合相位锁定技术，校准周期全息光场与载物平台的方向，获取所述由近场光学显微镜的载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达。
全息相控模块中利用光阑将纯相位液晶空间光调制器LSM出射的某一束或几束光遮挡，获得周期全息光场某一方向的条纹，获取近场光学显微镜的探针处光强信息，再通过同样方法获得周期全息光场其他方向的条纹，同样获取近场光学显微镜的探针处的光强信息，通过计算，得出所述近场显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置。
如图3所示全息相控模块中，激光通过滤波并扩束后分成多束单独的子光束，采用纯相位液晶空间光调制器1对每一束光进行相位控制，最后各束子光束通过棱镜2重叠在一起，形成周期的光场分布。使用该装置制作样品时，由于所有光都经过相同的光学元件，因此可以有效地消除因光学元件和光学平台震动对样品制备产生的影响。周期光场作用于光聚合材料（感光材料），便可以制备光子晶体模板。其中随着棱镜的替换和子光束的相位控制，可以得到不同的周期结构。为了合成出所需的2D与3D空间光场分布，在进行光场合成前需要开展数字模拟分析。
相控全息系统将安装于近场显微镜载物平台下方的专用光学装置箱内。 装置中，近场扫描光学显微镜NSOM探针与周期全息光场的相对位置上固定的，近场扫描光学显微镜NSOM进行扫描工作时，载物平台做XY扫描移动；载物平台的移动范围可以达到120um×120um，XY方向精度可以达到2nm，Z方向精度达到0.5nm；由于近场扫描光学显微镜NSOM只能采用动平台的扫描方式，无法直接采用近场扫描光学显微镜NSOM探针扫描全息光场分布；需要知道全息光场在近场载物平台上的取向以及近场探针在全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置，才可通过上述的移动平台的扫描方式对由全息光刻形成的光子晶体结构进行近场加工。本发明将通过以下方法获得上述信息：第一，利用与近场显微镜装在同一平台上的超高精度传统光学显微镜，结合相位锁定技术，校准全息光场与载物平台的方向，获得由载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达。第二，利用光阑将纯相位液晶空间光调制器出射的某一束或几束光遮挡，获得原全息光场某一方向的条纹，获取近场光学显微镜的探针处光强信息，再通过同样方法获得原全息光强其他方向的条纹，同样获取近场光学显微镜的探针处的光强信息。通过计算，可获得近场光学显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置。获得以上两方面信息后，便可对光子晶体进行功能性缺陷的近场精确制备。
Claims (8)
1.一种相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置，所述装置包括处理模块、全息相控模块和近场光学显微镜，其特征在于，
所述全息相控模块用于形成样品的周期全息光场，并获取近场光学显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置；
所述近场光学显微镜用于扫描周期全息光场干涉条纹的空间分布，并通过探针发出激光对样品进行加工；
所述处理模块用于读取周期全息光场干涉条纹的空间分布和探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置图像，并通过预设软件对近场光学显微镜和全息相控模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置，其特征在于，所述全息相控模块包括纯相位液晶空间光调制器、棱镜和多通道电压驱动器，所述多通道电压驱动器用于驱动所述空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置，其特征在于，所述近场光学显微镜的探针的位置与所述周期全息光场相对固定。
4.根据权利要求1所述的相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体装置，其特征在于，所述近场光学显微镜的载物平台为压电平移台。
5.一种基于相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体的方法，采用处理模块、全息相控模块和近场光学显微镜，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）通过全息相控模块形成样品的周期全息光场，并获取近场光学显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置；
2）通过近场光学显微镜的探针，移动近场光学显微镜的载物平台扫描所述周期全息光场干涉条纹的空间分布，然后处理模块读取周期全息光场干涉条纹的空间分布和探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置图像；
3）根据所述空间分布图，打开近场光学显微镜的探针的激光，近场光学显微镜的载物平台平移样品，对需要加工的地方，实现缺陷的加工。
6.根据权利要求5所述的基于相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体的方法，其特征在于，根据近场光学显微镜的载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达和近场光学显微镜的探针在全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置移动所述载物平台。
7.根据权利要求6所述的基于相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体的方法，其特征在于，通过近场光学显微镜，结合相位锁定技术，校准周期全息光场与载物平台的方向，获取所述由近场光学显微镜的载物平台移动坐标矢量表征的全息光场布拉伐结构表达。
8.根据权利要求6所述的基于相位全息与近场光学显微镜联用制备功能性光子晶体的方法，其特征在于，全息相控模块中利用光阑将纯相位液晶空间光调制器出射的某一束或几束光遮挡，获得周期全息光场某一方向的条纹，获取近场光学显微镜的探针处光强信息，再通过同样方法获得周期全息光场其他方向的条纹，同样获取近场光学显微镜的探针处的光强信息，通过计算，得出所述近场光学显微镜的探针在周期全息光场所形成的布拉伐晶格中的相对位置。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130717 Termination date: 20140602 |