專利名稱：一種用于制備各種光子晶體微結(jié)構(gòu)功能材料的折射光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于單光束全息干涉方法制備各種光子晶體微結(jié)構(gòu)的折射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)加工。
背景技術(shù)：
光子晶體是實(shí)現(xiàn)各種高效光子集成器件的新型人工微結(jié)構(gòu)材料，其制備方法包括半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)、多光子聚合技術(shù)、化學(xué)自組裝以及全息多光束干涉方法等。其中全息多光束干涉方法制備簡便、速度快、重復(fù)性好，適用于大面積、大規(guī)模生產(chǎn)。
理論證明，降低光子晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，光子晶體表現(xiàn)出不同尋常的寬光子帶隙特性，從而提高光子晶體的光功能特性。這些以降低光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性有效增大光子晶體的禁帶寬度的方法主要包括兩類，一是在原有光子晶體晶格結(jié)構(gòu)中引入附加格點(diǎn)(如在面心立方結(jié)構(gòu)中引如附加格點(diǎn)使之變成鉆石結(jié)構(gòu))[1]，一類是在均勻光子晶體結(jié)構(gòu)中嵌入形狀或大小不同的另一套格點(diǎn)，形成雙模結(jié)構(gòu)光子晶體[2]。盡管實(shí)驗(yàn)上多光束全息干涉方法可以得到鉆石結(jié)構(gòu)的光子晶體[3]，但光路調(diào)節(jié)復(fù)雜，環(huán)境穩(wěn)定性要求高，也沒有實(shí)現(xiàn)雙模光子晶體結(jié)構(gòu)的制備。迄今為止，只有利用大小不同的微球體或金屬團(tuán)簇，通過化學(xué)自組裝方法得到了光子晶體雙模結(jié)構(gòu)[4](結(jié)構(gòu)如圖1)。但這種方法的嚴(yán)重缺點(diǎn)是，難以消除的無規(guī)缺陷使其很難獲得大面積均勻的光子晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明專利申請人曾設(shè)計(jì)出一種三棱臺(tái)型折射光學(xué)元件，用于單光束全息干涉制備三維光子晶體[5](結(jié)構(gòu)如圖2)。該方法是一種極其簡單的單光束、單元件、快速穩(wěn)定、重復(fù)性好、適用于大面積、大規(guī)模制備光子晶體微結(jié)構(gòu)的技術(shù)，但只能加工格點(diǎn)形狀和大小完全相同的單模光子晶體結(jié)構(gòu)，不能形成低對(duì)稱性的雙模結(jié)構(gòu)，不利于光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)性能的提高。
K.M.Ho，C.T.Chan，and C.M.Soukoulis，Phys.Rev.Lett.65，3152(1990). C.M.Anderson et al，Phys.Rev.Lett.77，2949(1996)[3]D.N.Sharp et al，Phys.Rev.68，205102(2003)；C.K.Ullal et al，Appl.Phys.Lett.84，5434(2004).c)O.Toader et al，Phys.Rev.Lett.92，043905(2004)[4]C.J.Kiely et al，Nature 396，444(1998)；K.P.velikov et al，Science 296，106(2002)[5]G P Wang et al，Journal of Modern Optics，50，2155(2003)；Y Yang and G PWang et al，Appl.Phys.Lett.86，173108(2005)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于制備各種光子晶體微結(jié)構(gòu)功能材料的折射光學(xué)元件，通過設(shè)計(jì)一種既可以將一束入射光束分離成所需要的空間配置的多光束，同時(shí)又可以使將這些多光束重新自動(dòng)疊加在一起實(shí)現(xiàn)全息干涉的折射光學(xué)元件。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于制備各種光子晶體微結(jié)構(gòu)功能材料的折射光學(xué)元件，其特征在于這種折射光學(xué)元件是一種八面體結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺(tái)，具有對(duì)稱分布的光學(xué)表面；所述的八面為上下底面和6個(gè)側(cè)面，上下底面為平行的等邊6邊形，一大一小，6個(gè)側(cè)面為相同的梯形光學(xué)側(cè)面。
本發(fā)明是具有6個(gè)梯形光學(xué)側(cè)面的光學(xué)平臺(tái)，上下底面產(chǎn)生直接透射光，各個(gè)側(cè)面產(chǎn)生對(duì)稱分布在直接透射光周圍的折射光。根據(jù)不同入射光學(xué)面的選擇，將單束激光分裂成可以形成各種二維/三維干涉光強(qiáng)分布的光束配置。這些干涉光強(qiáng)分布在光敏介質(zhì)中便形成了各種光子晶體微結(jié)構(gòu)。
如前所述，迄今為止，實(shí)驗(yàn)上只有利用大小不同的微球體或金屬團(tuán)簇的化學(xué)自組裝方法得到了光子晶體雙模結(jié)構(gòu)[4](結(jié)構(gòu)如圖1)。但這種方法難以消除光子晶體中的無規(guī)缺陷而獲得大面積均勻的光子晶體結(jié)構(gòu)。通過分析多光束干涉原理發(fā)現(xiàn)，如果在原有干涉光強(qiáng)分布的基礎(chǔ)上引入輔助干涉光束，可以選擇性調(diào)整原干涉光強(qiáng)的空間分布，實(shí)現(xiàn)具有兩種不同光強(qiáng)分布的空間結(jié)構(gòu)的嵌套。經(jīng)光敏介質(zhì)暴光記錄，便可得到雙模光子晶體微結(jié)構(gòu)。基于這種設(shè)想，設(shè)計(jì)具有對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的八面體折射光學(xué)元件(圖3)，通過選擇不同入射光學(xué)面，可以得到各種單模/雙模結(jié)構(gòu)的二維/三維光子晶體微結(jié)構(gòu)。和現(xiàn)有化學(xué)自組裝技術(shù)相比，這種方法具有快速穩(wěn)定、重復(fù)性好、適用于大面積、大規(guī)模制備等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有單光束全息方法相比，具有可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜光子晶體結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)點(diǎn)。
主要技術(shù)手段是(1)通過設(shè)計(jì)一種既可以將一束入射光束分離成所需要的空間配置的多光束，同時(shí)又可以將這些多光束重新疊加在一起實(shí)現(xiàn)全息干涉的折射光學(xué)元件(圖3)。(2)選擇不同入射光學(xué)面，獲得具有不同干涉光強(qiáng)分布的光束配置，得到各種單模/雙模結(jié)構(gòu)的二維/三維光子晶體微結(jié)構(gòu)(圖4(a)-(d))。


圖1已有技術(shù)獲得的雙模光子晶體結(jié)構(gòu)。
圖2已有的單光束全息干涉技術(shù)獲得的單模光子晶體結(jié)構(gòu)。其中，圖2(a)二維結(jié)構(gòu)，圖2(b)三維結(jié)構(gòu)。
圖3本發(fā)明的對(duì)稱性八面體折射光學(xué)元件結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖3(a)主視圖，圖3(b)俯視圖。
圖4可以由此獲得的各種光子晶體微結(jié)構(gòu)。(a)單模二維光子晶體結(jié)構(gòu)，(b)單模三維光子晶體結(jié)構(gòu)，(c)和(d)雙模二維光子晶體結(jié)構(gòu)。
具體的實(shí)施方式通過設(shè)計(jì)加工可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束分離和光束重疊的多棱臺(tái)折射光學(xué)元件，根據(jù)所要制備的光子晶體結(jié)構(gòu)，選擇不同入射光學(xué)面，獲得具有不同干涉光強(qiáng)分布的光束配置，以光敏記錄介質(zhì)暴光記錄相應(yīng)的干涉光強(qiáng)分布，得到各種單模/雙模結(jié)構(gòu)的二維/三維光子晶體微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的折射光學(xué)元件，是一種八面體結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺(tái)，具有對(duì)稱分布的光學(xué)表面；所述的八面為上下底面和6個(gè)側(cè)面，上下底面為平行的等邊6邊形，一大一小，6個(gè)側(cè)面為相同的梯形光學(xué)側(cè)面。
圖3表示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。其中，圖3(a)主視圖，圖3(b)是圖3(a)的俯視圖。
本發(fā)明是具有6個(gè)梯形光學(xué)側(cè)面的光學(xué)平臺(tái)，即圖3(b)中的6個(gè)梯形光學(xué)側(cè)面(2)(3)(4)(5)(6)(7)，和上下底面(1)、(8)[(8)未畫出]；上下底面產(chǎn)生直接透射光，各個(gè)側(cè)面產(chǎn)生對(duì)稱分布在直接透射光周圍的折射光。根據(jù)不同入射光學(xué)面的選擇，將單束激光分裂成可以形成各種二維/三維干涉光強(qiáng)分布的光束配置。這些干涉光強(qiáng)分布在光敏介質(zhì)中便形成了各種光子晶體微結(jié)構(gòu)。
圖4(a)-(d)所示為分別通過多棱臺(tái)的不同入射面產(chǎn)生的多光束干涉疊加形成的不同光強(qiáng)分布圖。
當(dāng)擋掉中心光束((1)面)，得到各種二維結(jié)構(gòu)，否則，得到各種三維結(jié)構(gòu)。再例如，當(dāng)除擋住(1)面外，還擋住(2)、(4)、(6)面或(3)、(5)、(7)面時(shí)，得到二維三角型單模光子晶體(圖4(a))；擋住(2)、(4)、(6)面或(3)、(5)、(7)面時(shí)，可以得到一種三維單模光子晶體結(jié)構(gòu)分布(圖4(b))；除擋住(1)面外，還擋住另外兩個(gè)相間的面(如(3)、(5)面；(2)、(4)面；(4)、(6)面等)，則得到二維雙模光子晶體結(jié)構(gòu)(圖4(c)，圖4(d))。
圖4(c)是二維雙模結(jié)構(gòu)(中間格點(diǎn)大周圍格點(diǎn)小)，圖4(d)是二維雙模結(jié)構(gòu)(中間格點(diǎn)小周圍格點(diǎn)大)。
本實(shí)施例中的具體數(shù)據(jù)舉例如下h＝2.275cm，a＝1.614cm，b＝0.4644cm，d＝0.5386cm，折射光學(xué)元件材料的折射率為n＝1.52。
主要用途各種復(fù)雜光子晶體微結(jié)構(gòu)，微米/納米光子器件及其模板的加工制備等。
權(quán)利要求
1.一種用于制備各種光子晶體微結(jié)構(gòu)功能材料的折射光學(xué)元件，其特征在于這種折射光學(xué)元件是一種八面體結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺(tái)，具有對(duì)稱分布的光學(xué)表面；所述的八面為上下底面和6個(gè)側(cè)面，上下底面為平行的等邊6邊形，一大一小，6個(gè)側(cè)面為相同的梯形光學(xué)側(cè)面。
全文摘要
一種用于制備各種光子晶體微結(jié)構(gòu)功能材料的折射光學(xué)元件，其特征在于這種折射光學(xué)元件是一種八面體結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺(tái)，具有對(duì)稱分布的光學(xué)表面；所述的八面為上下底面和6個(gè)側(cè)面，上下底面為平行的等邊6邊形，一大一小，6個(gè)側(cè)面為相同的梯形光學(xué)側(cè)面。能形成低對(duì)稱性的雙模結(jié)構(gòu)，有利于光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)性能的提高，獲得大面積均勻的光子晶體結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02B27/10GK1710461SQ20051001870
公開日2005年12月21日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者汪國平, 楊奕 申請人:武漢大學(xué)