CN1971395B - 一种光子晶体光限幅器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种光子晶体光限幅器的制作方法，主要分为三步：微细加工技术制作光子晶体；将酞菁有机非线性材料掺入光敏胶中，得到混合体系；再将混合体系渗透入光子晶体的空气凹槽或空气柱中，通过紫外光照固化，得到光子晶体光限幅器。本发明的光子晶体可为一维光子晶体和二维光子晶体。一维光子晶体由二氧化硅和空气凹槽交替排列构成。二维光子晶体由空气柱在二氧化硅中呈周期结构排列。空气凹槽和空气柱通过光刻和反应离子刻蚀微细加工技术在二氧化硅基片上制作得到。本发明具有简单、低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子晶体光限幅器的制作，属于激光防护技术。
背景技术
激光作为一种高技术在科技、国防和日常生活中发挥着越来越重要的作用。与此同时，激光在现代军事领域中得到了广泛而迅速的发展，特别是激光致盲(或致眩)和强激光武器在现代光电对抗战场上的大量应用，以其特有的杀伤方式而引人注目。面对新型激光武器的威胁，研制新型激光防护器件已成为国防科研刻不容缓的问题，对于国家安全具有极其重要的意义。
目前已投入应用的激光防护器件主要包括防护镜、激光防护滤光片等，这些器件大多基于线性光学的原理，一般采用吸收、反射、衍射等手段实现防护。这些器件对激光具有一定的防护作用，但存在防护波段窄、可见光透过率低、防护角度范围受限等许多缺点。随着可调谐激光技术的发展和广泛应用，这些线性光学防护器件已不再满足要求。目前研究重点是采用非线性光限幅效应来实现激光防护功能。
将有机材料的非线性光限幅效应和光子晶体的光子禁带特性相结合，构造光子晶体光限幅器是目前新型激光防护器件的研究热点。光子晶体光限幅器具有光幅阈值低、激光损伤阈值高、热效应小、动态范围大等优点，对提高我军激光防护水平具有重要意义。
根据文献检索，目前只有美国海军实验室报道了有关光子晶体光限幅器制作的方法。1998年，针对可见光波段，美国海军实验室提出了利用乙醇和对氮苯黑两种有机材料和玻璃毛细管束制作二维光子晶体光限幅器(Lin H-B，Tonucci R.J，Campillo A.J，Optics Letters，Vol.23，No.2，January 15，1998)。2000年，该实验室又提出了采用具有反饱和吸收光限幅效应的酞菁染料和玻璃毛细管束制作性能更好的二维光子晶体光限幅器(James S.Shirk，Armand Rosenberg，Laser FocusWorld，Vol.36，No.4，April，2000)。具体措施是先采用类似制作光纤的技术制作呈三角形周期排列的纳米玻璃毛细管束，即二维空气柱型光子晶体，然后将其浸入有机光限幅材料(酞菁染料或乙醇和对氮苯黑)溶液中，通过毛细渗透作用，有机光限幅材料均匀浸润在纳米玻璃毛细管管壁，再经过定形、抛光等后续工序制作光子晶体光限幅器。这项技术目前还不是很成熟，而且存在两大不足：(1)纳米玻璃毛细管束的制作，整个制作工序复杂、难度大、成本高；(2)有机光限幅材料能够均匀浸润在纳米玻璃毛细管的管壁，再经过定形、抛光等后续制作工艺成型。
发明内容
本发明的技术解决问题：针对上述光子晶体光限幅器实验制作难度大、成本高等问题，提出一种相对简单、可行、低成本的光子晶体光限幅器的制作方法。
本发明技术解决方案：光子晶体光限幅器的制作方法，其特点在于包括以下步骤：
(1)微细加工技术制作一维或二维光子晶体；
(2)将酞菁5-20％(质量百分比)掺入光敏胶80-95％(质量百分比)中，得到混合体系；
(3)再将混合体系渗透入一维光子晶体空气凹槽或二维光子晶体空气柱中，通过紫外光照固化，得到光子晶体光限幅器。
所述的一维光子晶体由二氧化硅和空气凹槽交替排列构成，空气凹槽通过光刻和反应离子刻蚀技术在二氧化硅基片上制作得到。所述的二维光子晶体由空气柱在二氧化硅中呈周期排列构成，空气柱通过光刻和反应离子刻蚀技术在二氧化硅基片上制作得到。
所述的二氧化硅和酞菁(Pc)的折射率相同，n(SiO2)＝1.54，n(Pc)＝1.54。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有技术采用类似于制作光纤的技术制作呈三角形周期排列的纳米玻璃毛细管束，实验成本高、难度大；而本发明采用光刻和反应离子刻蚀技术制作一、二维光子晶体，实验成本低、难度小。
(2)现有技术采用将有机光限幅材料均匀浸润在纳米玻璃毛细管的管壁，再经过定形、抛光等后续制作工艺成型，实验工艺复杂、周期长、难度大；而本发明将酞菁和光敏胶的混合体系渗透入一、二维光子晶体空气凹槽和空气柱中，通过紫外光照固化，制作光子晶体光限幅器。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明的一维晶体光子结构示意图；
图3为本发明的二维光子晶体结构示意图；
图4a、图4b为本发明光子晶体光限幅原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的光子晶体光限幅器制作方法主要分为以下步骤：(1)一维和二维光子晶体结构设计；(2)采用光刻和反应离子刻蚀微细加工技术制作一、二维光子晶体；(3)将酞菁掺入光敏胶中，得到混合体系；(4)再将混合体系渗透入一维光子晶体空气凹槽或二维光子晶体空气柱中，通过紫外光照固化，得到光子晶体光限幅器。
如图2所示为一维晶体光子结构示意图。图中黑色区域为二氧化硅，白色区域为呈周期分布的空气凹槽。图中n1、n2分别为两种材料的折射率，n1＝1.54(二氧化硅)，n2＝1(空气)；h1为二氧化硅的宽度，h2为空气凹槽的宽度；晶格常数为a，a＝h1+h2。一般情况下，晶格常数a约等于激光防护波长(即入射光波长)的1/2.5。
例1以入射光波长为532nm为例，SiO2和空气凹槽的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，两种材料的宽度分别为SiO2，h1＝87.5nm，空气凹槽，h2＝131.2nm。
例2以入射光波长为700nm为例，SiO2和空气凹槽的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，两种材料的宽度分别为SiO2，h1＝115.1nm，空气凹槽，h2＝172.6nm。
例3以入射光波长为450nm为例，SiO2和空气凹槽的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，两种材料的宽度分别为SiO2，h1＝74.0nm，空气凹槽，h2＝111.0nm。
如图3所示，为二维光子晶体结构示意图。图中圆形区域为三角形周期分布的空气柱，灰色平板区域为二氧化硅。图中n1、n2分别为两种材料的折射率，n1＝1.54(二氧化硅)，n2＝1(空气)；图中a为空气柱圆心距，即晶格常数；2r为空气柱直径；d为空气柱高度。一般情况下，晶格常数a约等于入射光波长的1/2。
例4以入射光波长为532nm为例，SiO2和空气柱的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，空气柱直径2r＝248.1nm，晶格常数a＝259.6nm。
例5以入射光波长为700nm为例，SiO2和空气柱的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，空气柱直径2r＝326.5nm，晶格常数a＝341.5nm。
例6以入射光波长为450nm为例，SiO2和空气柱的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，空气柱直径2e＝209.9nm，晶格常数a＝219.6nm。
图4a中圆形图形为三角形周期排列的空气柱中所填充的酞菁，方形区表示二氧化硅，两种材料的折射率相等。当入射光能量小于光限幅阈值时，光子晶体光限幅器透过率高，处于透明状态，入射光可完全透过光子晶体光限幅器。图4b中黑色圆形图形表示折射率发生改变的酞菁，方形区表示二氧化硅，两种材料存在折射率差。当入射光能量大于光限幅阈值时，酞菁的折射率发生改变，导致两种材料存在折射率差，具有光子禁带。当入射光频率位于光子禁带频率范围时，完全被光子晶体反射，不能在光子晶体中传播。
实施例7：一维光子晶体限幅器的制作步骤如下：
(1)一维光子晶体结构设计
采用美国Rsoft公司的Bandsolve软件进行一维光子晶体结构的设计。打开用户界面，输入SiO2和空气凹槽的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，两种材料的宽度分别为h1＝0.5a(SiO2)，h2＝0.5a(空气凹槽)，a为晶格常数。然后进行计算，如果计算结果具有光子带隙，再进行h1扫描，即通过软件的扫描功能，计算对于不同入射光波长具有最大光子带隙时，h1、h2的最佳值。以入射光波长为532nm为例，计算得到两种材料的宽度分别为h1＝87.5nm(SiO2)，h2＝131.2nm(空气凹槽)。以入射光波长为700nm为例，两种材料的宽度分别为h1＝115.1nm(SiO2)，h2＝172.6nm(空气凹槽)。
(2)采用微细加工技术制作一维光子晶体
根据所设计的一维光子晶体结构参数制作光刻掩膜板；采用酸性清洗液和去离子水分别清洗二氧化硅基片，烘干；采用涂胶机将AZ9260光刻胶旋涂于二氧化硅基片上，然后置于热板上烘干，温度65℃，时间10分钟；将烘好后的二氧化硅基片置于光刻机基片位置上，并将光刻掩膜板置于掩膜板位置上进行曝光，曝光采用紫外灯，波长为365nm，曝光时间为2分钟；将曝光后的二氧化硅基片置于显影液中进行显影、漂洗。曝光部分图形因聚合物的交联反应形成溶于显影液的聚合物而形成凹槽结构，而未曝光部分图形不溶于显影液，得到二氧化硅和空气凹槽交替排列的一维光子晶体结构。
(3)将酞菁掺入光敏胶中，得到混合体系
将10％或20％的酞菁(质量百分比)掺入80％或90％的紫外光敏胶(质量百分比)中，采用搅拌器进行搅拌，得到混合体系。
(4)再将混合体系渗透入一维光子晶体空气凹槽中，通过紫外光照固化，得到光子晶体光限幅器。
在显微镜下操作，将装有酞菁和紫外光敏胶混合液的注射器对准一维光子晶体空气凹槽，逐滴渗入空气凹槽中，然后置于紫外灯下光照固化，固化时间为20分钟。
实施例8：二维光子晶体限幅器的制作，其步骤如下：
(1)二维光子晶体的步骤如下：
采用美国Rsoft公司的Bandsolve软件进行二维光子晶体结构的设计。打开用户界面，输入SiO2和空气柱的折射率分别为n1＝1.54和n2＝1，空气柱的半径r＝0.5a(a为晶格常数)，然后进行计算，如果计算结果具有光子带隙，再进行r扫描，即通过软件的扫描功能，计算对于不同入射光波长具有最大光子带隙时，r的最佳值。以入射光波长为532nm为例，计算得到空气柱的直径2r＝248.1nm，晶格常数a＝259.6nm。以入射光波长为700nm为例，计算得到空气柱直径2r＝326.5nm，晶格常数a＝341.5nm。
(2)采用微细加工技术制作二维光子晶体
根据所设计的二维光子晶体结构参数制作光刻掩膜板；采用酸性清洗液和去离子水分别清洗二氧化硅基片，烘干；采用涂胶机将AZ9260光刻胶旋涂于二氧化硅基片上，然后置于热板上烘干，温度65℃，时间20分钟；将烘好后的二氧化硅基片置于光刻机基片位置上，并将光刻掩膜板置于掩膜板位置上进行曝光，曝光采用紫外灯，波长为365nm，曝光时间为5分钟；将曝光后的二氧化硅基片置于显影液中进行显影、漂洗。曝光部分图形因聚合物的交联反应形成溶于显影液的聚合物而形成柱状结构，而未曝光部分图形不溶于显影液，得到空气柱呈周期分布的二维光子晶体结构。
(3)将酞菁掺入光敏胶中，得到混合体系
将酞菁5％(质量百分比)掺入紫外光敏胶95％(质量百分比)中，采用搅拌器进行搅拌，得到混合体系。
(4)再将混合体系渗透入二维光子晶体空气柱中，通过紫外光照固化，得到光子晶体光限幅器。
在显微镜下操作，将装有酞菁和紫外光敏胶混合液的注射器对准二维光子晶体空气柱，逐滴渗入空气柱中，然后置于紫外灯下光照固化，固化时间为40分钟。
Claims (4)
1.一种光子晶体光限幅器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用光刻或反应离子刻蚀微细加工技术制作一维或二维光子晶体；
(2)将质量百分比为5-20％的酞菁掺入质量百分比为80-95％的光敏胶中，得到混合体系；
(3)再将混合体系渗透入一维光子晶体空气凹槽或二维光子晶体空气柱中，通过紫外光照固化，得到光子晶体光限幅器。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光限幅器制作方法，其特征在于：所述的一维光子晶体由二氧化硅和空气凹槽交替排列构成，空气凹槽通过光刻和反应离子刻蚀技术在二氧化硅基片上制作得到。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光限幅器制作方法，其特征在于：所述的二维光子晶体由空气柱在二氧化硅中呈周期排列构成，空气柱通过光刻和反应离子刻蚀技术制作得到。
4.根据权利要求2或3所述的光子晶体光限幅器制作方法，其特征在于：所述二氧化硅和酞菁的折射率相同。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20110209 Termination date: 20141213 |
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