CN1220096C - 一种光子晶体分光器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体分光器的制备方法。该方法采用直径为微米级的实心固体小球悬浊液，利用自组织方法生长所需的光子晶体分光器。本发明可以在很小的空间和面积上生长出周期结构非常好的二维平面光子晶体微光栅，可以在光路中用作分光器件。本发明的分光器制备方法简单，无需微加工等复杂手段；所制得样品的分光特性良好，其光栅常数可通过制备中所用的小球直径直接控制。该分光器在集成光路等领域将有广泛的应用前景。
Description
发明领域
本发明涉及一种光子晶体分光器的制备方法。
背景技术
光子晶体是近年来发展起来的一种新型光学材料。它是由两种或多种介电常数不同的材料周期性排列的一种人工晶体，其周期为光波长量级。自组织(Self-Assembly)方法是制备三维光子晶体的一种常用的方法。分光器是一种重要的光学元件，作为不同频谱的分光元件在普通的光学仪器等中是核心元件。近年来由于集成光学和微光学的发展，越来越需要有一种体积较小效率较高的微型元件作为这些器件中的分光元件。目前已经知道用光纤制作的分光微光栅元件(文献1，I.Mikulskas，S.Juodkazis，R.Tomasiunas，and J.G.Dumas，Adv.Mater.Vol.13，1574(2001))，在周期结构上镀铝制成的反射光栅也有报道(文献2，Y.-H.Ye，S.Badilescu，Vo-Van Truong，P. Rochon，and A.Natansohn，Appl.Phys.Lett.79，872(2001))。通常的分光器制备过程都无法避免微加工或其他复杂工艺，过程复杂，成本较高，且灵活度较差。
发明内容
本发明的目的克服原有技术中分光器加工复杂及体积不足够小而限制其应用的主要缺点，从而提供了一种分光器的制备方法。
本发明提供的一种光子晶体分光器的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备小球悬浊液
在洁净试管中将水与定量相同直径的小球混合制备所需的小球悬浊液；所述的小球为实心固体小球，其密度在1030Kg/m3～2600Kg/m3，其直径在1μm～3μm范围之内；小球总体积与悬浊液的体积比为1∶500；将所述试管放入超声波清洗池中，开启超声振荡器，使小球在悬浮液中形成单分散的均匀分布。振荡的时间为5-10分钟；所述的小球为有机材料小球或者二氧化硅小球；所述的有机材料小球为聚苯乙烯小球。
(2)选取清洁生长器皿，备用；
所述生长器皿为预先制备的样品池；所述的生长器皿为一表面洁净的玻璃片；
(3)采用自组织生长工艺生长光子晶体分光器样品
用干净的注射器吸入悬浊液，滴加在所述的生长器皿内，根据所需样品的厚度和小球与悬浊液的体积比估算具体滴加的悬浊液体积；然后自然蒸发生长器皿内悬浊液中的水分；在自组织过程作用下，小球在生长器皿底面上构成面心立方(FCC)的周期结构的光子晶体样品，其(111)面平行于生长器皿底面；通过控制悬浊液体积控制样品中小球的层数为1到2层；
(4)光子晶体分光器样品的后期处理
可使用液体胶从生长器皿内取出光子晶体分光器样品。
本发明提供的一种光子晶体分光器的制备方法的有益效果为：
1.可以制得尺寸小至十几到几十个微米大小见方的平面二维光栅分光器，光栅常数等于小球直径，可以通过改变所使用的悬浊液中的小球直径来直接控制光栅常数；
2.制备的光子晶体分光器，周期性结构好，厚度可控，分光效率高、效果好；
3.原料获得容易，制备过程简单。
附图说明：
图1为本发明实施例1中的样品池；
图2为本发明实施例1中用于观测所制备的聚苯乙烯分光器样品的光路示意图；
图3为本发明实施例1中制备的样品在倒置显微镜下用电荷耦合器件拍摄的照片；
图4为本发明实施例1中拍摄到的聚苯乙烯分光器样品的分光照片；
图面说明：
上盖玻片1 下盖玻片2 圆孔3 强力胶4
分光器5 照明光源6 小孔光阑7 聚焦透镜8
载物台9 物镜10 反射镜11 孔径光阑12
目镜13 观察者或电荷耦合器件14
具体实施方式：
实施例1
制备直径3μm的聚苯乙烯小球光子晶体分光器，包括如下步骤：
1.样品池的制备
如图1所示，样品池是用上下两片盖玻片粘合制备的。在上盖玻片1上预先打出直径为8mm的圆孔3，并将孔的边缘打磨平滑。仔细清洗上下两片盖玻片后，将打好孔的上盖玻片1一面的四周涂上适量的强力胶4，然后小心的将它覆盖在另一片没有打孔的清洁过的下盖玻片2上，在毛细作用下，强力胶4将会很快的扩散满两片盖玻片的叠合部分，涂胶的量应该使得两片盖玻片贴合之后不致会有太多强力胶4进入盖玻片1的圆孔部分中。将粘好的样品池静置24小时，待胶完全固化后即可使用。
2.聚苯乙烯小球悬浊液的准备
用干净的注射器将商品化的聚苯乙烯小球悬浮液抽出并注入盛有二次蒸馏水的试管中，聚苯乙烯小球直径为3μm，密度为1030Kg/m3；控制悬浊液与水的比例，使聚苯乙烯小球与水的体积比约为1∶500；将该试管放入超声波清洗池中，开启超声振荡器，振荡时间为5分钟，使聚苯乙烯小球在悬浊液中形成单分散的均匀分布；振荡结束后封闭试管口，将试管置于干净的环境中以备用。每次使用前都需重新超声振荡悬浊液以保证聚苯乙烯小球的单分散性。
3.悬浊液的滴加和样品的干燥
用干净的注射器从试管中抽取0.05ml悬浊液，小心的滴加在制备好的样品池中心的圆孔所围成的平面上，在实际操作中，只需挤出一点悬浊液让其挂在注射器针头处而不使之滴下，然后小心的让这滴悬浊液与样品池的底面相接触，就基本可以达到所需要的目的；悬浊液自然的扩散并浸润整个底面；
然后将样品放入一个密封的表面皿中，在洁净的环境中静置，环境温度为室温(20℃左右)，令悬浊液中的水分自然挥发完毕即得到聚苯乙烯小球光子晶体分光器。
4.对样品进行观测
使用如图2所示的装置观测所制备的聚苯乙烯小球光子晶体分光器5。将所制得的光子晶体分光器5连同样品池放置在倒置显微镜的载物台9上；照明光源6发出的光经小孔光阑7限束后通过聚焦透镜8聚焦在所述分光器5的表面上；出射光经倒置显微镜的物镜10、反射镜11、孔径光阑12和目镜13，在观测者14的眼中成像；实验中所用光源6为白炽灯。观测过程中，首先调教载物台9和物镜10的相对高度，使得观测者14能够从目镜13中看到光子晶体分光器5清晰的像，用电荷耦合器件(CCD)13代替目镜13并重新调节载物台9，通过电荷耦合器件(CCD)13拍摄分光器清晰的显微照片。如图3所示，图中的白色圆点是光子晶体分光器5中单个聚苯乙烯小球的像，小球为周期性平面三角格子分布，相邻两个小球间的黑色部分是电荷耦合器件成像的缘故，实际中小球是相互接触的。在观察到光子晶体分光器5的清晰的像后，调节聚焦透镜8的高度，使得入射光聚焦在样品表面，通过目镜13可以观察到聚焦后的光斑直径在20至30微米之间；然后升高载物台9的高度至合适的位置，就将会观察到光子晶体分光器5的衍射分光图案，图4即为用单反相机拍摄到的分光图案。
实施例2
制备直径1μm的二氧化硅小球光子晶体分光器。
基本制备过程如实施例1，区别在于所用的原料为直径1μm的二氧化硅小球单分散悬浊液，二氧化硅小球的密度为2600Kg/m3，小球与水的体积比为1∶500，所用样品池中圆孔直径为3mm。得到的分光器分光作用类似实施例1，可以将入射的平行光束在一级衍射角处分成六束对称分布的光。
Claims (7)
1.一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，它包括下列步骤：
(1)准备小球悬浊液；
在洁净试管中将水与定量相同直径的小球混合制备所需的小球悬浊液；所述的小球为实心固体小球，其密度在1030Kg/m3～2600Kg/m3，其直径在1μm～3μm范围之内；小球总体积与悬浊液的体积比为1∶500；将所述试管放入超声波清洗池中，开启超声振荡器，使小球在悬浮液中形成单分散的均匀分布，振荡的时间为5-10分钟；
(2)选取清洁生长器皿，备用；
(3)采用自组织生长工艺生长光子晶体分光器样品；
用干净的注射器吸入步骤(1)制备的悬浊液，滴加在步骤(2)中备用的生长器皿内；然后自然蒸发生长器皿内悬浊液中的水分；在自组织过程作用下，小球在生长器皿底面上构成面心立方的周期结构的光子晶体样品，其(111)面平行于生长器皿底面；通过控制悬浊液体积控制所述光子晶体分光器样品中小球的层数为1到2层。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，还包括使用液体胶从生长器皿内取出光子晶体分光器样品。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，所述的生长器皿为预先制备好的样品池。
4.根据权利要求1所述的一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，所述的生长器皿为一表面洁净的玻璃片。
5.根据权利要求1所述的一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，所述的小球为二氧化硅小球。
6.根据权利要求1所述的一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，所述的小球为有机材料小球。
7.根据权利要求6所述的一种光子晶体分光器的制备方法，其特征在于，所述的有机材料小球为聚苯乙烯小球。
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