CN104977652A - 一种大面积二维光子微结构的制作装置及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种大面积二维光子微结构的制作装置，包括依次设置在同一光轴上的激光器、多光楔棱镜和载物单元。本发明能够用来制作多种大面积具有周期、准周期的光子微结构。通过调整多光楔棱镜的楔角度数、光楔数目和直径，可以制作出不同周期尺度、不同形状和不同面积的光子微结构。由于多光楔棱镜所具有的较大透光面积，致使干涉图案的面积大，进而在感光材料中制作出大面积的光子微结构，大大提高了制作效率。对于直径为4cm的三光楔棱镜，本发明能够产生面积达2.442cm2、在一个维度上(以10μm的三角晶格边长为晶格常数)的周期数目大于1500、结构单元总数大于5.5×106的二维大面积三角晶格光子微结构。本发明还提出了一种大面积二维光子微结构的制作方法。

Description

一种大面积二维光子微结构的制作装置及制作方法
技术领域
本发明涉及光子学微结构制造领域，尤其涉及一种大面积二维光子微结构的制作装置及制作方法。
技术背景
光子晶体是一种介电常数(或折射率)在空间呈周期性变化的光子微结构，它是一种新型的光学材料。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化进一步成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命。
准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶结构具有长程有序的特点并具有特定的衍射图案，然而不具有晶体所具备的平移对称性。因此准晶具有晶体结构中所不具备的某些独特的物理性质，比如旋转对称性。把准晶结构的特殊性质应用到光子晶体领域，产生了一种新的光子学微结构，叫做光子准晶。由于准晶结构存在高度的旋转对称性，所以相比于以往的周期性光子晶体，光子准晶易于呈现出各向同性的光子带隙特征。因此光子准晶是一种更具应用前景的光子微结构。
大面积的光子微结构在光通信、光网络、光计算和集成光学中具有重要的应用。传统的制作光子微结构的方法，如：离子交换、离子束注入、刻蚀以及薄膜沉积等存在设备复杂，工艺复杂、成本昂贵，生产效率较低的缺点，限制了光子微结构的实用化。光诱导技术是一种结合了多束相干光的干涉特性和光折变材料的激光敏感特性的方法，常用来制作光折变光子晶格。光折变光子晶格也是一种光子学微结构，属于光子晶体的范畴。通过不同数目的激光束干涉并辐照光折变材料，可以在光折变材料内部形成各种各样的周期和准周期的微结构。光折变光子晶格的制作工艺简单，涉及的设备也相对简单，成本较低，且制作的微结构具有较长的暗存储时间、光折变材料本身可循环使用。因此，光折变光子晶格具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
光折变材料中制作的光子微结构的面积取决于光折变材料被激光束辐照的面积。当发生干涉的激光束具有较大的面积时，光折变材料的辐照面积也会比较大，这样就能够制作出大面积的光折变光子晶格微结构。然而，若使用传统的干涉方法来制作光折变光子晶格微结构，当需要使三个以上的宽相干光束产生干涉时，所需光路比较复杂，难以调节；尤其是在制作光子准晶结构时，随着结构对称性的增加，需要更多的光束来产生干涉，这对于传统的干涉方法来说是难以实现的。于是掩膜板方法以其极其简单的光路取代了传统干涉方法，制作出了光子准晶结构和复杂的光子晶格微结构。然而掩膜板方法中细窄的光束也决定了制作出的结构面积较小、晶格周期数较少，不利于光子微结构的进一步应用。
因此，针对现有的光子微结构制备方法中存在的生产效率较低，或者制作面积小的缺点，市场上亟需一种能够制作大面积的二维光子微结构的简单方法以及结构灵活、成本低廉、易于实现的制作多种大面积二维光子微结构的装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提出了一种大面积二维光子微结构的制作装置，包括：激光器、空间滤波器、准直透镜、多光楔棱镜和载物单元；其中，所述载物单元上设置有感光材料；所述激光器、所述空间滤波器、所述准直透镜、所述多光楔棱镜和所述感光材料依次设置在同一光轴上；所述激光器用于产生激光束；所述空间滤波器用于对所述激光束进行滤波与扩束；所述准直透镜用于对滤波与扩束后的所述激光束进行准直；所述多光楔棱镜用于将准直后的所述激光束转换为多个大面积相干光束并使之发生干涉，产生大面积干涉图案；所述大面积干涉图案投射到所述感光材料上，在所述感光材料内形成大面积二维光子微结构。
本发明提出的大面积二维光子微结构的制作装置中，所述多光楔棱镜为多个光楔组成的光学棱镜。
本发明提出的大面积二维光子微结构的制作装置中，所述光楔具有相同的楔角。
本发明提出的大面积二维光子微结构的制作装置中，所述感光材料为光折变晶体、光刻胶、照相底片或全息干板。
本发明提出的大面积二维光子微结构的制作装置中，所述载物单元设置在所述多个宽相干光束的干涉叠加区域。
本发明还提出了一种大面积二维光子微结构的制作方法，其包括以下步骤：
步骤一：激光器发射激光束；
步骤二：所述激光束通过空间滤波器进行滤波与扩束；
步骤三：通过准直透镜对滤波与扩束后的所述激光束进行准直；
步骤四：准直后的所述激光束通过多光楔棱镜转换为多个大面积相干光束，并使所述大面积相干光束发生偏转，并叠加，在叠加区域发生干涉形成大面积的干涉图案；
步骤五：将所述干涉图案投射到感光材料上，在所述感光材料内形成大面积二维光子微结构。
本发明的有益效果包括：
1、本发明装置结构简单，无需复杂的调节装置，仅用单个多光楔棱镜就实现了多个宽相干光束的干涉，制作出大面积的二维光子微结构，且装置稳定性强，抗机械振动效果好。
2、本发明中多光楔棱镜容易加工，无需昂贵的专门仪器，降低了制作成本。
3、本发明的装置能够用来制作多种大面积的周期、准周期的光子微结构。通过调整多光楔棱镜楔角的角度，可以制作出不同周期尺度的大面积光子微结构。
4、由于多光楔棱镜具有较大的透光面积，所以参与干涉的光束尺寸也较宽，能得到大面积的干涉图案，在感光材料中制作出与干涉面积大小相近的大面积光子微结构，大大提高了制作效率。以三个光楔组成的三光楔棱镜为例，当三光楔棱镜的直径为4cm时，其干涉面积的典型值为2.442cm2，在一个维度上(以10μm的三角晶格边长为晶格常数)的周期数目大于1500、制作的结构单元总数大于5.5×106。特别是：光子微结构的面积可以随着多光楔棱镜直径的增大而增大。
5、本发明的装置适用于多种光子微结构材料的制作，可以用其他的光敏介质代替本装置中的光折变晶体，制作出各种材质的光子微结构。
附图说明
图1为本发明制作装置的结构示意图。
图2为本发明制作方法的流程图。
图3a为本发明中三光楔棱镜的正面图。
图3b为本发明中三光楔棱镜的侧面图。
图4为多光楔棱镜的楔角与产生的宽相干光束的偏转角度之间的对应关系图。
图5为在光折变晶体中制作的大面积二维三角晶格微结构的示意图。
图5右下角的插图为大面积二维三角晶格微结构的远场衍射图。
图6a为本发明中四光楔棱镜的正面图。
图6b为在光折变晶体中制作的大面积二维四方晶格微结构的示意图。
图6b右下角的插图为大面积二维四方晶格微结构的远场衍射图。
图7a为本发明中五光楔棱镜的示意图。
图7b为在光折变晶体中制作的大面积二维准晶微结构的示意图。
图7b右下角的插图为大面积二维准晶微结构的远场衍射图。
图8a为探测光束侧面入射大面积二维四方晶格微结构的示意图。
图8b为探测光以不同入射角度入射大面积二维四方晶格微结构的布拉格衍射图案。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
本发明中，1-激光器，2-空间滤波器，3-准直透镜，4-多光楔棱镜，5-载物单元，51-感光材料。
如图1所示，本发明提出了一种大面积二维光子微结构的制作装置，其包括设置在同一光轴上的激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、多光楔棱镜4和载物单元5。其中，激光器1用于产生激光束。空间滤波器2用于对激光束进行滤波与扩束。准直透镜3用于对激光束进行准直。多光楔棱镜4用于将激光束转换为多个宽相干光束，并使这些宽相干光束的传播方向发生偏转后叠加，在叠加区域形成大面积的干涉图案。载物单元5用于放置感光材料51，当大面积干涉图案被投射到感光材料51上，可以在感光材料51内形成大面积二维光子微结构。
本发明中，多光楔棱镜4是由多个光楔组成的具有多个楔角的光学棱镜，所述光楔具有相同的楔角。
本发明中，感光材料51可以为光折变晶体、光刻胶、照相底片或全息干板等。
基于以上装置，本发明还提出了一种大面积二维光子微结构的制作方法，如图2所示，其包括以下步骤：
步骤一：激光器发射激光束；
步骤二：激光束通过空间滤波器进行滤波与扩束；
步骤三：通过准直透镜对滤波与扩束后的激光束进行准直；
步骤四：准直后的激光束通过多光楔棱镜转换为多个大面积相干光束，并使大面积相干光束发生偏转，并叠加，在叠加区域发生干涉形成大面积的干涉图案；
步骤五：将干涉图案投射到感光材料上，在感光材料内形成大面积二维光子微结构。
实施例
本实施例中的制作装置，其结构如图1所示，该装置中包括：依次设置在同一光轴上的激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、多光楔棱镜4和载物单元5。
本实施例中，激光器1采用的是532nm的YAG连续激光器，其输出激光束的功率为100mW。空间滤波器2位于准直透镜3的前焦点上，激光束射入空间滤波器2中进行滤波及扩束，扩束后的激光束呈发散地向前投射至准直透镜3。
本实施例中，多光楔棱镜4用于将激光束转换为多个宽相干光束并使它们相互叠加，产生大面积干涉。该多光楔棱镜4由多个光楔组成，材质为光学玻璃，其结构如图3a-图3b所示(以三个光楔组成的棱镜为例)。多光楔棱镜4中的各个楔角具有相同的角度，因此入射到每个楔面的光束会向着多光楔棱镜4的中心方向产生相同角度的偏转。
本实施例中选用的多光楔棱镜4直径为4cm，可以产生较大面积的相干光束，具有很高的通光效率。以三光楔棱镜为例，准直后的激光束照射到该三光楔棱镜上，生成三束宽相干光束。这三束宽相干光束在棱镜楔面的作用下，都向着棱镜的中心发生偏转，且偏转角度相同。在该三光楔棱镜后面的一定距离处，上述宽相干光束发生叠加，形成干涉区域，产生了大面积的干涉图案。
载物单元5上放置作为感光材料51的掺铁铌酸锂光折变晶体。相干光束投射到该光折变晶体上，由于该晶体具有光致折射率变化特性，故相干光束诱导该晶体的内部产生与相干光束形成的干涉图案相对应的大面积光子微结构。当三光楔棱镜的直径为4cm时，该干涉图案的有效面积的典型值为2.442cm2。对于周期为10μm的三角晶格微结构，在一个维度上(以三角晶格边长为晶格常数)的周期数目大于1500，在有效干涉面积中制作出的结构单元数目大于5.5×106。
本实施例中大面积二维光子微结构的制作方法，其包括如下步骤：
步骤一：激光器1发射激光束，根据光诱导技术的需求，为制作大面积二维光子微结构提供激光光源。
步骤二：激光束通过空间滤波器2进行滤波与扩束；
步骤三：通过准直透镜3对滤波与扩束后的激光束进行准直；
步骤四：准直后的激光束经过多光楔棱镜4转换成多个大面积的相干光束。相干光是指具有相同振动方向、相同振动频率，及具有相同相位或恒定的相位差的多个光束。当两个以上相干光束在某一区域相遇时，这些相干光束会发生干涉，从而产生干涉图案；多个大面积的相干光束在多光楔棱镜4的偏折作用下传播方向会发生偏转，并在多光楔棱镜4后面的一定距离处发生叠加，多个大面积的相干光在叠加区域内发生干涉，产生大面积的干涉图案。
步骤五：将干涉图案投射到感光材料51上，在感光材料51内形成大面积二维光子微结构。
在另外的实施例中，感光材料51还包括光刻胶、照相底片、全息干板等，从而可制作各种基质类型的大面积光子微结构。
相干光束所形成的干涉图案与相干光束的数量与位置分布、以及干涉时各相干光束的夹角有关。参阅图4，多光楔棱镜4的楔角α影响着宽相干光束的偏转角度，进而影响着发生干涉的光束之间的夹角β，这决定了干涉图案的周期尺度。因此通过改变多光楔棱镜楔角的角度可以在感光材料中制作出不同周期的大面积光子微结构。
如附图3a-3b所示，该多光楔棱镜4由三个光楔构成，楔角的角度相等，产生了三个宽相干光束的干涉，诱导载物单元5上的感光材料51内部形成大面积的二维三角晶格微结构，制作的二维三角晶格微结构如图5所示。图中右下角的插图是制作的大面积三角晶格微结构的远场衍射图样，它证实了感光材料51中制作的结构是三角晶格结构。
如附图6a所示，该多光楔棱镜4由四个光楔构成，楔角的角度相等，产生了四个宽相干光束的干涉，诱导载物单元5上的感光材料51内部形成大面积的二维四方晶格微结构，制作的二维四方晶格微结构如图6b所示。图中右下角的插图是制作的大面积四方晶格微结构的远场衍射图样，它证实了感光材料51中制作的结构是四方晶格结构。
如附图7a所示，该多光楔棱镜4由五个光楔构成，楔角的角度相等，产生了五个宽相干光束的干涉，诱导载物单元5上的感光材料51内部形成大面积的二维准晶微结构，制作的二维准晶微结构如图7b所示。图中右下角的插图是制作的大面积准晶微结构的远场衍射图样，它证实了感光材料51中制作的结构是十倍对称的准晶体结构。
以制作的二维四方晶格微结构为例，进行侧向的入射光衍射检测，图8a是侧面入射的光束的示意图。图8b是在不同的入射角情况下，观测到的布拉格衍射图案。图中显示了非常明显的衍射光斑图案，这只能在结构具有大量的周期个数时才能表现出来，即制作的结构具有较大的面积。这证实了制作的结构确实具有较大的面积。
上述制作过程中，由于感光材料51中的光折变晶体具有存储和可擦除的性质，所以制作的大面积微结构不但可以长久固定，还可以擦除并重新写入晶体，这使得通过本发明制作的大面积光折变光子微结构具有较大的灵活性，适用于多种研究和应用。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (5)

1.一种大面积二维光子微结构的制作装置，其特征在于，包括：激光器(1)、空间滤波器(2)、准直透镜(3)、多光楔棱镜(4)和载物单元(5)；其中，
所述载物单元(5)上设置有感光材料(51)；
所述激光器(1)、所述空间滤波器(2)、所述准直透镜(3)、所述多光楔棱镜(4)和所述感光材料(51)依次设置在同一光轴上；
所述激光器(1)用于产生激光束；
所述空间滤波器(2)用于对所述激光束进行滤波与扩束；
所述准直透镜(3)用于对滤波与扩束后的所述激光束进行准直；
所述多光楔棱镜(4)用于将准直后的所述激光束转换为多个大面积相干光束并使之发生干涉，产生大面积干涉图案；
所述大面积干涉图案投射到所述感光材料(51)上，在所述感光材料(51)内形成大面积二维光子微结构。
2.如权利要求1所述的大面积二维光子微结构的制作装置，其特征在于，所述多光楔棱镜(4)为多个光楔组成的光学棱镜。
3.如权利要求2所述的大面积二维光子微结构的制作装置，其特征在于，所述光楔具有相同的楔角。
4.如权利要求1所述的大面积二维光子微结构的制作装置，其特征在于，所述感光材料(51)为光折变晶体、光刻胶、照相底片或全息干板。
5.一种大面积二维光子微结构的制作方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的制作装置，其包括以下步骤：
步骤一：激光器(1)发射激光束；
步骤二：所述激光束通过空间滤波器(2)进行滤波与扩束；
步骤三：通过准直透镜(3)对滤波与扩束后的所述激光束进行准直；
步骤四：准直后的所述激光束通过多光楔棱镜(4)转换为多个大面积相干光束，并使所述大面积相干光束发生偏转，并叠加，在叠加区域发生干涉形成大面积的干涉图案；
步骤五：将所述干涉图案投射到感光材料(51)上，在所述感光材料(51)内形成大面积二维光子微结构。
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