CN104831363A - 一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，包括聚合物薄膜层和基底，聚合物薄膜层贴合在基底表面，聚合物薄膜层由两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜交替地周期性分布形成，聚合物薄膜层具有多个垂直穿透其厚度方向的空气柱，空气柱在聚合物薄膜层中按晶格形式排列。本发明采用的聚合物薄膜的结构千变万化，聚合物薄膜应用广泛，易于成形和处理，生产制作工艺简单，成本低，利于大面积制作，且聚合物材料、折射率可调控，为光子晶体制作提供了很大的选择空间，利用聚合物材料作为光子晶体的膜层材料，使得光子晶体具有各种各样不同的性质；本发明的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体的制作方法大大的降低了光子晶体的制作难度。

Description

一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体

技术领域

本发明涉及光子晶体技术领域，尤其涉及一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体。

背景技术

在信息的传输方面，光子比电子有着更多的优点。它们有更快的传播速度，在携带大容量信息时有更低的损耗。光子晶体具有像半导体操作电子一样的操作光线的能力。光子电子，是一种新型的人造物质，与半导体晶体能够操控电子一样，光子晶体是一种能够控制光子行为的人工周期性电介质结构材料，并在一维、二维或三维空间中形成折射率的周期性分布，由于布拉格散射，电磁波在其中传播时会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带，而具有这种能带结构的材料，被称作光子晶体。

光子晶体的应用领域非常广泛，如无阈值的激光器、无损耗的反射镜和弯曲光路、高品质因子的光学微腔、低驱动能量的非线性开关和放大器、波长分辨率极高而体积极小的超棱镜、具有色散补偿作用的光子晶体光纤、以及提高效率的发光二极管等都是基于光子晶体而相继被提出的全新光子学器件，此外，光子晶体体积非常小，在新的纳米技术、光计算机、芯片等领域也具有广泛的应用前景。但是由于光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级(如对于光通信波段(波长1.55μm)，要求光子晶体的晶格在0.5μm左右)，传统光子晶体的制备难度非常大，价格昂贵。

聚合物材料在我们的日常生活中被广泛地应用，从食物包装到录像带，聚合物材料无处不在。聚合物材料得以如此广泛应用的原因除了其结构多变、性质多样以外，更重要的是聚合物材料易于成形和处理、生产制作工艺简单、成本低，利于大面积制作。如果我们用聚合物材料作为光子晶体的膜层材料，其生产制作成本可以大大的降低，且聚合物材料的密度、折射率可调控，为聚合物器件设计提供了很大的选择空间。并且，现有各种类型、功能的聚合物材料的产品很多，生产工艺较为成熟，为我们将设计的基于聚合物的多层膜三维光子晶体转化为便于推广的产品打下了良好的基础。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，克服现有技术中光子晶体生产工艺技术复杂，制作成本高，产率低，不适用大规模生产的缺陷。

本发明提出的一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，包括聚合物薄膜层和基底，聚合物薄膜层贴合在基底表面，聚合物薄膜层由具有两种或两种以上不同折射率的聚合物薄膜交替地周期性分布形成，聚合物薄膜层具有多个垂直穿透其厚度方向的空气柱，空气柱在聚合物薄膜中按晶格形式排列。

优选地，所述三维光子晶体采用以下步骤制成：选择基底；选用两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜材料按照折射率周期性交替布置制成聚合物薄膜体，然后在聚合物薄膜层上制作出多个垂直穿透其厚度方向的孔洞形成空气柱，以获得贴合在基底上的聚合物薄膜层，从而得到三维光子晶体。

优选地，所述空气柱采用纳米压印技术制成。

优选地，所述聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

A1、将两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜周期性交替叠放在基底上，得到多层聚合物薄膜叠合体；

A2、在A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面涂润滑剂，将多层聚合物薄膜叠合体置于高温的环境中使聚合物薄膜融化；

A3、用大滚轮碾压A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面，控制碾压的力度与速度，使各聚合物薄膜层厚度分布均匀，得到聚合物薄膜体；

A4、判断A3中获得的聚合物薄膜层状体的层数是否符合周期结构的层数和厚度要求；若否，则利用切堆技术进行切割得到周期结构；或，利用切堆技术进行切割得到周期结构的组件后，堆积形成聚合物薄膜体。

优选地，所述聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

B1、调整旋涂机的转速和旋涂机中聚合物溶液的浓度；

B2、采用旋涂机进行旋涂和烘烤,获得由两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜周期性交替排列形成的聚合物薄膜体。

优选地，所述聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

以共挤压法制出由两种或两种以上不同折射率聚合物薄膜周期性交替布置的聚合物薄膜层，并将吹塑出的聚合物薄膜层粘覆在基底上制成一体形成，所述共挤压法采用多层共挤吹塑技术。

优选地，所述聚合物薄膜为PS、PMMA、PVK、CA、PDMS、PVP和PC中的任意两种或多种。

优选地，所述基底为玻璃、硅、聚合物材料中的一种。

优选地，根据三维光子晶体的光学特性要求选取膜层材料以及膜层折射率、膜层周期、膜层厚度、膜层层数、多层薄膜排布情况；优选地，三维光子晶体的光学特性包括光子晶体禁带中心频率和禁带宽度；优选地，膜层厚度可通过双向拉伸多层膜方法快速、可逆地进行调节。

优选的，所述空气柱在聚合物薄膜层中按方形晶格、矩形晶格、三角晶格或六角晶格形式排列。

在本发明中，由不同折射率的聚合物薄膜形成一维周期性结构的聚合物薄膜体，然后在该一维周期性结构的聚合物薄膜体上制作出孔洞形成具有所需排列方式的空气柱，从而获得基于聚合物薄膜层的三维光子晶体。本发明采用的聚合物薄膜的结构千变万化，聚合物薄膜应用广泛，易于成形和处理，生产制作工艺简单，成本低，利于大面积制作，且聚合物材料、折射率可调控选择，为光子晶体制作提供了很大的选择空间，利用聚合物材料作为光子晶体的膜层材料，使得光子晶体具有各种各样不同的性质；本发明的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体的制作方法大大的降低了光子晶体的制作难度；本发明借助三维纳米压印技术，可以大批量重复性地大面积制作，并且利用纳米压印技术可以根据实际需要方便地制作出具有任意排列方式的空气柱的三维光子晶体；本发明根据三维光子晶体的禁带中心频率和禁带宽度，选取膜层材料、膜层折射率、膜层周期、膜层厚度、膜层层数，膜层厚度可通过简单的双向拉伸多层膜方法快速、可逆地进行调节。本发明基底的选择比较灵活。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体的聚合物薄膜层结构示意图；

图2为本发明具体实施方式具有方形晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图；

图3为本发明具体实施方式具有矩形晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图；

图4为本发明具体实施方式具有三角晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图；

图5为本发明具体实施方式具有六角晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图5，图1为本发明提出的一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体的聚合物薄膜层结构示意图；图2为本发明具体实施方式具有方形晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图；图3为本发明具体实施方式具有矩形晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图；图4为本发明具体实施方式具有三角晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图；图5为本发明具体实施方式具有六角晶格的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体结构示意图

如图1所述，图1为本发明提出的一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体的聚合物薄膜层结构示意图。

本发明提出一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，包括聚合物薄膜层1和基底，聚合物薄膜层1贴合在基底表面，聚合物薄膜层1由两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜交替地周期性分布形成，任意相邻两层聚合物薄膜具有不同的折射率，聚合物薄膜层1具有多个垂直穿透其厚度方向的空气柱2，空气柱2在聚合物薄膜层中按晶格形式排列，例如方形晶格(参照图2)、矩形晶格(参照图3)、三角晶格(参照图4)或者六角晶格(参照图5)等。

本发明可根据三维光子晶体的光学特性要求(包括禁带中心频率和禁带宽度，对膜层材料、膜层折射率、膜层周期、膜层厚度、膜层层数、多层薄膜排布情况进行设计和选择；其中，膜层厚度可通过简单的双向拉伸多层膜方法快速、可逆地进行调节。

本发明聚合物薄膜为PS、PMMA、PVK、CA、PDMS、PVP和PC中的任意两种或多种。聚合物薄膜的结构千变万化，利用聚合物材料作为光子晶体的膜层材料，使得光子晶体具有各种各样不同的性质。聚合物薄膜应用广泛，易于成形和处理，生产制作工艺简单，成本低，利于大面积制作，且聚合物材料、折射率可调控选择，为光子晶体制作提供了很大的选择空间。

本发明基于聚合物薄膜层的三维光子晶体采用以下步骤制成：选用两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜材料在基底上按照折射率周期性交替布置，以制成一维周期性结构的聚合物薄膜体，然后采用纳米压印技术在聚合物薄膜体上制作出孔洞形成所需排列方式的空气柱获得贴合在基底上的聚合物薄膜层1，从而得到三维光子晶体。本发明可根据实际需要方便地制作成具有任意排列方式的空气柱的光子晶体。

在制作过程中，纳米压印技术是目前纳米结构加工的主要技术，它可以直接利用物理学机理机械地在光刻胶上构造纳米尺寸图形，是在纳米尺度获得复杂结构的一种成本低而速度快的方法，此外，纳米压印技术还具有使用设备简单、制备周期短、产率高等优点，利用纳米压印技术可以大大降低光子晶体的制备难度，不仅可以大面积制作，而且可以大批量重复性地生产。

本发明基底为玻璃、硅、聚合物材料中的一种，基底的选择比较灵活。

在实施例1中，聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

A1、将两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜周期性交替叠放在基底上，得到多层聚合物薄膜叠合体；

A2、在A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面涂润滑剂，将多层聚合物薄膜叠合体置于高温的环境中使聚合物薄膜融化；

A3、用大滚轮碾压A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面，控制碾压的力度与速度，使各聚合物薄膜层厚度分布均匀，得到聚合物薄膜体；

A4、判断A3中获得的聚合物薄膜层状体的层数是否符合周期结构的层数和厚度要求；若否，则利用切堆技术进行切割得到周期结构；或，利用切堆技术进行切割得到周期结构的组件后，堆积形成聚合物薄膜体。

在实施例2中，聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

B1、调整旋涂机的转速和旋涂机中聚合物溶液的浓度；

B2、采用旋涂机进行旋涂和烘烤,获得由两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜周期性交替排列形成的聚合物薄膜体。

在实施例3中，聚合物薄膜体采用以下步骤制成：以共挤压法制出由两种或两种以上不同折射率聚合物薄膜周期性交替组成的聚合物薄膜层，并将吹塑出的聚合物薄膜层粘覆在基底上制成一体形成，所述共挤压法采用多层共挤吹塑技术。

本发明采用的聚合物薄膜的结构千变万化，聚合物薄膜应用广泛，易于成形和处理，生产制作工艺简单，成本低，利于大面积制作，且聚合物材料、折射率可调控选择，为光子晶体制作提供了很大的选择空间，利用聚合物材料作为光子晶体的膜层材料，使得光子晶体具有各种各样不同的性质；本发明的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体的制作方法大大的降低了光子晶体的制作难度；本发明借助三维纳米压印技术，可以大批量重复性地大面积制作，并且利用纳米压印技术可以根据实际需要方便地制作出具有任意排列方式的空气柱的三维光子晶体。

本发明的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体与纳米技术相结合，可用于制造微米级的激光，硅基激光；与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用。此外，本发明的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体还可用作光子晶体天线、手机的辐射防护、光子晶体波导、光子晶体滤波器、光子晶体发光二极管、光子晶体光纤、低阈值激光发射器、高性能反射镜、光子晶体谐振腔等等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，包括聚合物薄膜层(1)和基底，聚合物薄膜层(1)贴合在基底表面，聚合物薄膜层(1)由两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜交替地周期性分布形成，聚合物薄膜层(1)具有多个垂直穿透其厚度方向的空气柱(2)，空气柱(2)在聚合物薄膜层中按晶格形式排列。

2.根据权利要求1所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述三维光子晶体采用以下步骤制成：

选择基底，选用两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜材料并按照折射率周期性交替布置制成聚合物薄膜体，然后在聚合物薄膜体上制作出多个垂直穿透其厚度方向的孔洞形成空气柱(2)，以获得贴合在基底上的聚合物薄膜层(1)，从而得到三维光子晶体。

3.根据权利要求1或2所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述空气柱(2)采用纳米压印技术制成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

A1、将两种或两种以上具有不同折射率的聚合物薄膜周期性交替叠放在基底上，得到多层聚合物薄膜叠合体；

A2、在A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面涂润滑剂，将多层聚合物薄膜叠合体置于高温的环境中使聚合物薄膜融化；

A3、用大滚轮碾压A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面，控制碾压的力度与速度，使各聚合物薄膜层厚度分布均匀，得到聚合物薄膜体；

A4、判断A3中获得的聚合物薄膜体的层数是否符合周期结构的层数和厚度要求；若否，则利用切堆技术进行切割得到周期结构；或，利用切堆技术进行切割得到周期结构的组件后，堆积形成聚合物薄膜体。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

B1、调整旋涂机的转速和旋涂机中聚合物溶液的浓度；

B2、采用旋涂机进行旋涂和烘烤,获得由两种或两种以上不同折射率的聚合物薄膜周期性交替排列的聚合物薄膜体。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述聚合物薄膜体采用以下步骤制成：

以共挤压法制出由两种或两种以上具有不同折射率聚合物膜层周期性交替组成的聚合物薄膜层，并将吹塑出的聚合物薄膜层粘覆在基底上制成一体形成，所述共挤压法采用多层共挤吹塑技术。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述聚合物薄膜为PS、PMMA、PVK、CA、PDMS、PVP和PC中的任意两种或多种。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述基底为玻璃、硅、聚合物材料中的一种。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，根据三维光子晶体的光学特性要求选取膜层材料以及膜层折射率、膜层周期、膜层厚度、膜层层数、多层薄膜排布情况；优选地，三维光子晶体的光学特性包括光子晶体禁带中心频率和禁带宽度；优选地，膜层厚度可通过双向拉伸多层膜方法快速、可逆地进行调节。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的基于聚合物薄膜层的三维光子晶体，其特征在于，所述空气柱(2)在聚合物薄膜层中按方形晶格、矩形晶格、三角晶格或六角晶格形式排列。