CN103092004A - 制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统 - Google Patents

Abstract

制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统，涉及光子晶体阵列结构。提供一种结构简单、可操作性强、可获得三维密排晶体阵列结构的制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统。从左至右依次设有激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板；所述激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板设于同一光轴上，激光器发出的激光经过空间滤波器的扩束后照射到全息光学元件上，经全息光学元件产生4束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光学元件的中央出光口之后，4束光重叠干涉在光刻胶板上，在光刻胶板上对4束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到拥有三维密排晶格阵列结构的光子晶体。

Description

制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统

技术领域

本发明涉及光子晶体阵列结构，尤其是涉及一种基于多束光全息干涉术的制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统。

背景技术

光子晶体的概念是由E.Yablonovitch和S.John两人于1987年首次独立提出的，它是一种介电常数（或者说折射率）在空间呈周期性变化的材料。

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。

按介电常数的周期性变化及其出现的空间维度，光子晶体可分为一维、二维、三维光子晶体。其中三维光子晶体因其介电常数在三维方向呈周期性排列，因而是最容易实现完全光子禁带结构的（边超,明海,光子晶体的研究进展及应用前景[J],光电子技术与信息,2000，01.）。

多束光全息干涉术常用来制造三维光子晶体结构。利用光刻胶的感光特性以及单次曝光法可十分方便地记录三维光学结构。

多束光全息干涉术具体技术要点如下：

使用四束光全息干涉术可用来制备密排结构的等离子体纳米间隙阵列。要获得此结构需在一束特定干涉光中加入特定的相位，从而改变子晶格在整个晶体间的相对位置，进而改变晶格分布形貌并且结合光刻胶的非线性响应属性。当将这种等离子体纳米间隙阵列结构作为拉曼基底使用时，需在其孔洞阵列中填入例如金、银等币制金属，随后利用外加电场对基底进行激发，因为晶格阵列结构排布的密排程度，会直接影响纳米金属离子激发的耦合电场强度，进而影响拉曼散射信号的强弱，所以晶格结构排列越紧密，以此结构为基底产生的耦合电场强度的增幅也越强，其对应产生的表面增强的拉曼信号也越强（[5]Xi Zhang,MartinTheuring,Qiang Song,Weidoong Mao,Milan Begliarbekov,and Stefan Strauf,“Holographic Control of Motive Shape in Plasmonic Nanogap Arrays,”Nanolett.,2011,11,2715-2719.）。

表面增强拉曼散射光谱技术(SERS)是从分子水平上表征表面或界面结构及其过程的灵敏技术,该技术的关键之一正是通过制备密排结构的颗粒基底来使得SERS信号得到进一步增强。研究制备表面形貌分布更为均匀、紧密、有序的金属纳米粒子阵列结构，不仅具有实际应用价值,而且有助于揭示SERS增强机理。由于以上因素，才使得越来越多的科技工作者致力于对密排周期性阵列结构的研究（[6]Tian Z.Q.,Ren B.,Wu D.Y..J.Phys.Chem.B[J],2002,106(37):9463—9483.）。这些研究将物理领域的光子晶体结构的应用拓展到了电化学领域表面增强拉曼散射光谱技术领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、可操作性强、可获得三维密排晶体阵列结构的制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统。

本发明从左至右依次设有激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板；所述激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板设于同一光轴上，激光器发出的激光经过空间滤波器的扩束后照射到全息光学元件上，经全息光学元件产生4束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光学元件的中央出光口之后，4束光重叠干涉在光刻胶板上，在光刻胶板上对4束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到拥有三维密排晶格阵列结构的光子晶体。

所述全息光学元件是一个能够产生三维周期性微结构的元件，全息光学元件设有3片衍射光栅和1个中央孔洞的衍射光学元件，所述3片衍射光栅用螺丝夹持，每个衍射光栅都可以进行替换，衍射光栅的制备根据经典的相干光干涉理论和衍射理论，采用激光全息技术在同一位置用两等光强、等入射角的平面波相互干涉制备而成。制备时注意3片衍射光栅的光刻胶尺寸、曝光功率、曝光时间以及显影时间必须严格保持一致。利用1/2波片向系统中引入相位差，成功改变了晶格的排布。

所述激光器可采用功率可调的氩离子激光器等。

与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

本发明运用4束光全息干涉术制造三维光子晶体，利用特制的全息光学元件搭建干涉光路，并在中央的直通光光路中加入额外的90°相位差，从而达到改变干涉结构，进而改变光子晶体晶格阵列结构，获得了预期的三维密排晶格阵列结构。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4束光的干涉，在光刻胶板上进行曝光，进而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特制的全息光学元件以及二分之一波片来控制4束光的相对强度、相位差等参数，以此来控制干涉结构空间周期性和平移对称性。这种方法的优点在于简化了光路的结构，大大减少了光学器件的使用及光路调节的难度。这个方法的创新之处在于，能够在同等拍摄条件下，在不降低记录波长，不破坏晶格阵列结构的基础上，制造出更为密排即更小周期的晶体阵列结构，并且通过验证可以作为SERS技术中的拉曼基底使用，从而将物理领域的光子晶体拓展到了电化学领域。

本发明通过使用4束光干涉的方法成功制备出三维密排的光子晶体晶格阵列结构，极大地优化了光路结构，省却了繁琐的光路设计和摆放过程。由于突破了光路的繁杂性，使得制造密排结构的晶格阵列结构不再需要复杂的光路设计，也可以不降低记录光波长，同时可通过对特殊的全息光学元件中不同周期光栅的替换，满足了对不同周期的晶格阵列结构的要求。该系统紧凑稳定，使得全息法制备三维密排光子晶体晶格阵列结构可走出实验室，实现产业化，对表面增强拉曼散射光谱技术，拉曼光谱仪等技术仪器的优化有很大的影响。

本发明采用4束光干涉的三维全息术用来制造三维密排的光子晶体阵列结构。通过这个方法，能够在不降低记录波长、不破坏晶格阵列结构的基础上，制造出更为密排即更小周期的晶体阵列结构，并以此为模板制造出高折射率对比度的互补结构。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。在图1中，各标记为：1为激光器，2为空间滤波器，3为全息光学元件，4为1/2波片，5为光刻胶板，6为衍射光栅。

图2为四束光入射到光刻胶表面的波矢示意图。在图2中，标记B₀、B₁、B₂、B₃表示4束光；φ、θ、120°、60°表示相应夹角。

图3为入射的四束光波矢在x-y平面的投影图。

图4为未添加90°相位差所得到的模拟阵列结构立体图。

图5为未添加90°相位差所得到的模拟阵列结构俯视图。

图6为添加90°相位差所得到的模拟阵列结构立体图。

图7为添加90°相位差所得到的模拟阵列结构俯视图。

图8为实验所采用的特殊的全息光学元件结构图。

图9为利用OLYMPUS自动数码叠加成像显微镜拍摄的未加入波片时的三维光子晶体阵列俯视图,标尺为10μm。

图10为利用OLYMPUS自动数码叠加成像显微镜拍摄的加入波片时的三维光子晶体阵列俯视图,标尺为10μm。

图11为利用Coredraw绘图软件绘制的未加入波片时的三维光子晶体阵列局部结构图，在图11中：111为晶格间的线性间隙阵列，112为晶格间的三角形间隙阵列，其中的三角形间隙中央有凹槽，113为干涉产生的六角形晶格。

图12为利用Coredraw绘图软件绘制的加入波片时的三维光子晶体阵列局部结构图，在图12中：121为晶格间的线性间隙阵列，122为干涉产生的六角形晶格。

图11和图12绘制的局部选定区域拥有相同数目的六角形晶格。

图13为利用三维密排光子晶体阵列结构作为拉曼基底测试的拉曼散射信号实验结果。图中横轴代表拉曼位移Raman shift/cm^-1，纵轴代表拉曼散射信号强度Intensity，位于上方的曲线代表高紧密程度结构的拉曼信号，位于下方的曲线代表低紧密程度结构的拉曼信号。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1和8，本发明实施例从左至右依次设有激光器1、空间滤波器2、全息光学元件3、1/2波片4和光刻胶板5；所述激光器1、空间滤波器2、全息光学元件3、1/2波片4和光刻胶板5设于同一光轴上，激光器1发出的激光经过空间滤波器2的扩束后照射到全息光学元件3上，经全息光学元件3产生4束相干的干涉光束，1/2波片4置于全息光学元件3的中央出光口31之后，4束光重叠干涉在光刻胶板5上，在光刻胶板5上对4束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到拥有三维密排晶格阵列结构的光子晶体。

所述全息光学元件3是一个能够产生三维周期性微结构的元件，全息光学元件3设有3片衍射光栅6和1个中央孔洞的衍射光学元件，所述3片衍射光栅6用螺丝61夹持，每个衍射光栅6都可以进行替换，衍射光栅的制备根据经典的相干光干涉理论和衍射理论，采用激光全息技术在同一位置用两等光强、等入射角的平面波相互干涉制备而成。制备时注意3片衍射光栅的光刻胶尺寸、曝光功率、曝光时间以及显影时间必须严格保持一致。利用1/2波片4向系统中引入相位差，成功改变了晶格的排布。

所述激光器1可采用功率可调的氩离子激光器等。

本发明首先利用Ｍａｔｌａｂ软件模拟“伞形”排布的4束干涉光，当中央出射光存在90°额外相位时，所产生的干涉结构图，4束光的波矢分布如图2所示，其波矢在x-y平面的投影如图3所示。此计算是建立在每次模拟中的入射光强、曝光时间、显影时间等相关参数均保持相同的假设上的。模拟的光波波长为458nm。唯一的变量为是否在中央出射光中加入90°额外相位差。模拟结果为：图4为未添加90°相位差所得到的模拟阵列结构立体图；图5为未添加90°相位差所得到的模拟阵列结构俯视图；图6为添加90°相位差所得到的模拟阵列结构立体图；图7为添加90°相位差所得到的模拟阵列结构俯视图。

具体模拟过程：将两种相位值条件分别空间光强I式子内，利用正性光刻胶的非线性响应属性，由于吸收了光子的部分经显影后被溶解掉，未吸收光子的部分由于腐蚀速度慢而保留下来，因此可以假设大于等于某一光强的位置处的光刻胶经显影后被除去，其余保留下来，即只画出小于某一光强值的光强分布，就可得到如图4～7所示的全息光子晶体晶格阵列在光刻胶中的模拟图。

由模拟结构可以观察到，加入90°额外相位后，晶体的晶格结构确实发生了变化。具体表现为相邻两个晶格相互连接，并且相邻三个晶格中间的三角形间隙向下产生了位移，从而形成了一个类似“倒易”的结构。可以归纳出加入90°额外相位后的晶格结构变化的趋势应为晶格间隙排布变得单一而均匀，不再出现多种形状的间隙阵列相互交错的情况。

如图1所示为制造三维密排晶体阵列结构的全息系统结构示意图，其中所使用的激光器1采用功率可调的氩离子激光器，所使用的全息光学元件3，结构图如图8所示，采用的是能够产生三维周期性微结构的光学元件，该全息光学元件3是一个特制的可替换型包含3片衍射光栅以及一个中央孔洞的衍射光学元件。其中可以用螺丝夹持3片衍射光栅6，每个衍射光栅都可以进行替换，光栅的制备根据经典的相干光干涉理论和衍射理论，采用激光全息技术在同一位置用两等光强、等入射角的平面波相互干涉制备而成。制备时注意3片衍射光栅的光刻胶尺寸、曝光功率、曝光时间以及显影时间必须严格保持一致。经过空间滤波器2扩束的激光束应均匀的照射到全息光学元件3上。全息光学元件3的结构可产生四束相干的干涉光束，其波矢分布如图2所示。之后，将1/2波片4紧紧置于全息光学元件3的中央光束出口之后，经过对光刻胶板的曝光、显影等流程，即可得到一种三维密排晶格阵列结构。

所使用的激光器1采用功率可调的氩离子激光器，曝光时的功率为180mW,所使用的全息光学元件3，实验采用的元件结构图如图1和8所示，是一个可替换型且包含3片衍射光栅以及一个中央孔洞的能够产生三维周期性微结构的特制的衍射光学元件。全息光学元件3中夹持的光栅周期为1.5μm。所使用的空间滤波器2搭配15μm的针孔及40倍的显微物镜，经过空间滤波器2扩束的激光束应均匀的照射到全息光学元件3上。空间滤波器2与全息光学元件3的距离为39cm。在全息光学元件3之前，中央投射光区域放置一块二分之一波片，之后调整放置于全息光学元件3之后的光刻胶版5的位置，使得四束干涉光的重叠干涉结构准确的落在其上。接着，在光刻胶板5上对四束光重叠的干涉结构进行单次曝光，曝光时间为60s,经过显影流程，显影使用浓度为2%的NaOH溶液，显影时间为20s,即可得到相应的结构。

先拍摄未加入二分之一波片时四束光干涉形成的光子晶体阵列结构。需要注意的是，拍摄前，需在全息光学元件3的中央直透光孔处添加一块透明玻璃，以模拟光透过二分之一波片时的光强损失情况。经过对光刻胶板的曝光、显影等流程，得到的光子晶体阵列结构如图9所示。

接着，将1/2波片4紧紧置于全息光学元件3的中央光束出口之后，注意1/2波片的放置不能影响到其他三束光的出射，同时其位置必须准确的重叠于中央光束的出射位置，经过对光刻胶板的曝光、显影等流程，即可得到一种三维密排的光子晶体阵列结构，如图10所示。

实验效果说明：

结合图9和图10所观察到的实验效果图，图11和图12是利用coredraw绘图软件绘制出的在图9和图10中选定的拥有同等晶格数目的阵列结构。六角形代表的是图9或图10中的六角晶格，虚线区域表示的是图9或图10中的晶格间隙即图中晶格间的“田埂”状间隙。

在图11中，标记111为晶格间的线性间隙阵列，112为晶格间的三角形间隙阵列，其中的三角形间隙中央有凹槽，113为干涉产生的六角形晶格。在图12中，标记121为晶格间的线性间隙阵列，122为干涉产生的六角形晶格。

比较图11、12以及图4、6所示的结构，可以证实，用此方法得到的实验结果确实如模拟结构所示的，其晶格结构发生了所模拟出的结构变化趋势，即晶格间隙阵列排布变得更为均匀且单一，进一步证明了该方法的可行性。

为了进一步说明，比较图11和图12所示的两种结构可以发现，图12所示的阵列结构分布更加有序，不再出现图11所示的线性间隙阵列和三角形间隙阵列交错排布的情况。同时，在占用相同数目晶格数目的条件下，加入波片后所获得的晶格阵列结构体积更小，结构更紧密。由此可以证实，能够在同等拍摄条件下，在不降低记录波长，不破坏晶格阵列结构的基础上，制造出更为密排的光子晶体阵列结构。

图13是利用三维密排的光子晶体阵列结构作为拉曼基底测试的拉曼散射信号实验结果。测试结果可验证，加入二分之一波片后的三维密排光子晶体阵列结构较之紧密程度较低的光子晶体阵列结构而言，拥有更强的拉曼散射信号。

Claims (3)

1.制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统，其特征在于从左至右依次设有激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板；所述激光器、空间滤波器、全息光学元件、1/2波片和光刻胶板设于同一光轴上，激光器发出的激光经过空间滤波器的扩束后照射到全息光学元件上，经全息光学元件产生4束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光学元件的中央出光口之后，4束光重叠干涉在光刻胶板上，在光刻胶板上对4束光重叠的干涉结构进行单次曝光，经过显影的流程即可得到拥有三维密排晶格阵列结构的光子晶体。

2.如权利要求1所述制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统，其特征在于所述全息光学元件设有3片衍射光栅和1个中央孔洞的衍射光学元件，所述3片衍射光栅用螺丝夹持，每个衍射光栅都可以进行替换。

3.如权利要求1所述制造三维密排光子晶体阵列结构的全息系统，其特征在于所述激光器采用功率可调的氩离子激光器。

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