專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及光子晶體制造裝置，尤其是涉及一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置。
背景技術(shù)：
[0002]光子晶體的概念是由E. Yablonovitch ( [1]E. Yablonovitch. “Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics，，[J] ·Phys. Rev. Lett.，1987，58(20):2059-2062)和 S.John ( [2]S.John. “Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices，，[J] · Phys. Rev. Lett.，1987，58(23) :2486-2489)兩人于1987年首次獨(dú)立提出的，它是一種介電常數(shù)(或者說(shuō)折射率)在空間呈周期性變化的材料。[0003]眾所周知，在半導(dǎo)體材料中原子排列的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的周期性電勢(shì)場(chǎng)影響著在其中運(yùn)動(dòng)的電子的性質(zhì)，使其形成能帶結(jié)構(gòu)。由于介電常數(shù)的周期性調(diào)制，電磁波在光子晶體中的傳播可以用類(lèi)似于電子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)描述。具體表現(xiàn)為一定頻率的光波在光子晶體的特定方向上被散射，不能透過(guò)，形成光子禁帶(或稱(chēng)光子帶隙)，頻率落在光子禁帶中的光波在一定方向上無(wú)法傳播。這種具有光子禁帶的周期性介電材料即為光子晶體或光子帶隙材料([3]范長(zhǎng)林，光子晶體的全新應(yīng)用及其研究[D]，電子科技大學(xué)，2003 年·)。[0004]按介電常數(shù)的周期性變化及其出現(xiàn)的空間維度，光子晶體可分為一維、二維、三維光子晶體。其中三維光子晶體因其介電常數(shù)在三維方向呈周期性排列，因而是最容易實(shí)現(xiàn)完全光子禁帶結(jié)構(gòu)的([4]邊超，明海，光子晶體的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J]，光電子技術(shù)與信息，2000年01期.)。[0005]多束光全息干涉術(shù)常用來(lái)制造三維光子晶體。利用光刻膠的感光特性以及單次曝光法可十分方便的記錄三維光學(xué)結(jié)構(gòu)。在此，我們采用四束光干涉的三維全息術(shù)用來(lái)制造大面積的周期性結(jié)構(gòu)。通過(guò)這個(gè)方法我們能夠得到納米級(jí)的晶體結(jié)構(gòu)，并以此為模板制造出高折射率對(duì)比度的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。[0006]多束光全息干涉術(shù)具體技術(shù)要點(diǎn)如下[0007]我們通過(guò)在光刻膠上用四束不共面的光進(jìn)行干涉的方法可以制造出三維周期性的微結(jié)構(gòu)。干涉結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布反應(yīng)出了晶格的三維平移對(duì)稱(chēng)性，并且它的倒晶格矢對(duì)應(yīng)于兩兩光束的波矢差([5]M. Campbell, D. N. Sharp, Μ. Τ. Harrison, R. G. Denning, andA.J. Turberfield, “Fabrication of photonic crystals for the visible spectrum by holographic lithography,’^Nature 404,53 - 56(2000)·)。四束干涉光的波矢分布決定了干涉結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱(chēng)性及晶格常數(shù)，進(jìn)而可用來(lái)決定晶胞內(nèi)介質(zhì)材料的分布，從而反過(guò)來(lái)決定光子能帶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，全息干涉術(shù)可對(duì)形成的干涉結(jié)構(gòu)的尺寸和形態(tài)進(jìn)行精確的控制。 例如，通過(guò)控制兩束光的波矢差可以用來(lái)控制干涉結(jié)構(gòu)的空間周期性和平移對(duì)稱(chēng)性。干涉結(jié)構(gòu)的對(duì)比度可以通過(guò)控制每束光的實(shí)振幅、偏振態(tài)以及相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。[0008]此外，在使用四束光全息干涉術(shù)制備光子晶體時(shí)，可通過(guò)在一束干涉光中加入額外相位來(lái)改變一個(gè)聚合結(jié)構(gòu)晶格內(nèi)的兩個(gè)子晶格的相對(duì)距離([6]Xi Zhang, Martin Theuringj Qiang Song, Weidoong Mao，Milan Begliarbekovj and Stefan Strauf， “Holographic Control of Motive Shape in Plasmonic Nanogap Arrays，，，Nano lett.，2011，11，2715-2719.)。通過(guò)改變子晶格的相對(duì)距離可使聚合體晶胞間隙變小，而晶胞間隙越小，聚合體的耦合作用越強(qiáng)，外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增幅也越強(qiáng)，作為拉曼基底時(shí)，相應(yīng)的拉曼信號(hào)也越強(qiáng)。這一特性可用于提升表面增強(qiáng)拉曼散射的質(zhì)量。而表面增強(qiáng)拉曼散射 (SERS)是從分子水平上表征表面或界面結(jié)構(gòu)及其過(guò)程的靈敏技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵之一正是通過(guò)制備具有納米級(jí)大小的顆粒使SERS信號(hào)得到增強(qiáng)。研究制備大小和形貌可控的金屬納米粒子不僅具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而且有助于揭示SERS增強(qiáng)機(jī)理([7] Tian Z. Q. , RenB.，Wu D. Y. · J. Phys. Chem. B[J], 2002, 106(37) :9463— 9483. ) [7]。由于以上因素，才使得越來(lái)越多的科技工作者致力于大面積周期性間隙結(jié)構(gòu)的研究。這些研究將物理領(lǐng)域的光子晶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用拓展到了電化學(xué)領(lǐng)域表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)明內(nèi)容[0009]本實(shí)用新型的目的是提供結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、可獲得具有大面積周期性間隙陣列的三維光子晶體的一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置。[0010]本實(shí)用新型依次設(shè)有激光器、空間濾波器、全息光學(xué)元件、1/2波片和光刻膠板；[0011]激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)空間濾波器的擴(kuò)束后照射到全息光學(xué)元件上，經(jīng)全息光學(xué)元件產(chǎn)生四束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光學(xué)元件的其中I個(gè)出光口之后，入射 1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度為設(shè)定值，四束光重疊射在光刻膠板上，在光刻膠板上對(duì)四束光重疊的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行單次曝光，經(jīng)過(guò)顯影的流程即可得到大面積周期性間隙陣列結(jié)構(gòu)的光子晶體。[0012]所述全息光學(xué)元件為能夠產(chǎn)生二維周期性微結(jié)構(gòu)的元件，該全息光學(xué)元件設(shè)有3 個(gè)衍射光柵，3個(gè)衍射光柵 呈扇形均布，使用時(shí)，在法向一側(cè)的不共面的三束光兩兩之間夾角互為120° ;所述入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度的設(shè)定值為15° 23. 5°。[0013]所述全息光學(xué)元件為能夠產(chǎn)生二維周期性微結(jié)構(gòu)的元件，該全息光學(xué)元件設(shè)有3 個(gè)衍射光柵，使用時(shí)，在法向一側(cè)的不共面三束光兩兩之間夾角互為60° ,與法向另一側(cè)的光束夾角為120° ;所述入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度的設(shè)定值為45°。[0014]所述激光器最好采用功率可調(diào)的氬離子激光器。[0015]與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型的工作原理及有益效果如下[0016]本實(shí)用新型運(yùn)用四束光全息干涉術(shù)制造三維光子晶體，利用特殊的全息光學(xué)元件搭建干涉光路，并在一束光的光路中加入相位差，從而達(dá)到改變干涉結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變光子晶體結(jié)構(gòu)，獲得極小的納米級(jí)間隙陣列的目的。該系統(tǒng)光路相較于通常采用的干涉光路而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。[0017]本實(shí)用新型的原理是利用四束光的干涉在光刻膠板上記錄其干涉強(qiáng)度分布，而后通過(guò)顯影等流程在光刻膠板上制造出三維光子晶體結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的關(guān)鍵在于多次采用特殊的全息光學(xué)兀件來(lái)控制四束光的波矢分布，同時(shí)利用波矢分布確定兩束光之間的波矢差，以此來(lái)控制干涉結(jié)構(gòu)空間周期性和平移對(duì)稱(chēng)性，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了光路的結(jié)構(gòu)，大大減少了光學(xué)器件的使用及光路調(diào)節(jié)的難度。同時(shí)通過(guò)擺放在特殊的全息光學(xué)元件其中一束出射光出口之后的1/2波片，調(diào)節(jié)其中一束入射線偏振光振動(dòng)方向與波片晶體表面上光軸間的角度，實(shí)現(xiàn)在其出射光中加入額外相位的目的，進(jìn)而達(dá)到改變?nèi)S光子晶體中的兩個(gè)晶胞的相對(duì)位置的目的，在保證兩個(gè)晶胞不粘合的前提下，當(dāng)兩個(gè)晶胞間的距離達(dá)到一個(gè)極小的值時(shí)，這個(gè)極小值便是得到的間隙陣列中間隙的距離。已通過(guò)matlab模擬找出在特定波矢分布下，使得兩個(gè)晶胞的相對(duì)距離達(dá)到極小值所對(duì)應(yīng)的額外相位的數(shù)值， 并在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整1/2波片晶體表面上光軸與入射線偏振光振動(dòng)平面方向間的角度，在一束干涉光中加入了設(shè)定的相位，得到了預(yù)期的周期性間隙陣列。這個(gè)方法的創(chuàng)新之處在于發(fā)明所利用的不再是光子晶體本身的周期性結(jié)構(gòu)，而是利用三維光子晶體各晶胞間的周期性間隙陣列，將物理領(lǐng)域的光子晶體拓展到了電化學(xué)領(lǐng)域。[0018]由此可見(jiàn)，本實(shí)用新型改變?nèi)⒐鈱W(xué)元件的四束光出光口的位置，改變四束光的波矢分布，再調(diào)節(jié)其中入射的線偏振光振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面上光軸間的角度，在光刻膠板5上對(duì)四束光重疊的干涉結(jié) 構(gòu)進(jìn)行單次曝光，經(jīng)過(guò)顯影的流程即可得到某種大面積周期性間隙陣列結(jié)構(gòu)的光子晶體。[0019]本實(shí)用新型通過(guò)使用四束光干涉的方法成功制備出周期性的間隙陣列，極大的優(yōu)化了光路結(jié)構(gòu)，省卻了繁瑣的光路設(shè)計(jì)和擺放過(guò)程。由于突破了光路的繁雜性，使得納米級(jí)間隙陣列的制備不再需要復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)，同時(shí)可通過(guò)對(duì)特殊的全息光學(xué)元件的替換和波片位置的設(shè)置，滿足了對(duì)不同結(jié)構(gòu)，不同間隙陣列大小的要求。該系統(tǒng)緊湊穩(wěn)定，使得全息法制備納米間隙陣列結(jié)構(gòu)有望走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)，拉曼光譜儀等技術(shù)儀器的優(yōu)化有很大的影響。


[0020]圖I為實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。在圖I中1為激光器，2為空間濾波器，3 為全息光學(xué)兀件，4為1/2波片，5為光刻膠板,6為光柵。[0021]圖2為實(shí)施例I使用時(shí)，四束光在光刻膠板上產(chǎn)生干涉結(jié)構(gòu)的波矢分布圖(四束光中的一束光由法向入射，其余在法向一側(cè)的不共面的三束光兩兩之間夾角互為120° )。[0022]圖3為實(shí)施例I的全息光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。[0023]圖4為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。在圖4中1為激光器；2為空間濾波器； 3'為全息光學(xué)兀件；4為1/2波片；5為光刻膠板；6為光柵。[0024]圖5為實(shí)施例2使用時(shí)，四束光在光刻膠板上產(chǎn)生干涉結(jié)構(gòu)的波矢分布圖(在法向一側(cè)的不共面三束光兩兩之間夾角互為60°，與法向另一側(cè)的光束夾角為120° )。[0025]圖6為實(shí)施例2的全息光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0026]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。[0027]實(shí)施例I[0028]參見(jiàn)圖I 3，所使用的激光器I采用功率可調(diào)的氬離子激光器，所使用的全息光學(xué)元件3采用能夠產(chǎn)生二維周期性微結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，該全息光學(xué)元件3設(shè)有3個(gè)衍射光柵，3個(gè)衍射光柵呈扇形均布(即使用時(shí)，在法向一側(cè)的不共面的三束光夾角均為120° )。 可根據(jù)經(jīng)典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光全息技術(shù)進(jìn)行制備，具體制備方式可參見(jiàn)中國(guó)專(zhuān)利ZL200610122343.0(發(fā)明名稱(chēng)為制作光子晶體的無(wú)透鏡光學(xué)裝置)。所使用的空間濾波器2搭配15 μ m的針孔及40倍的顯微物鏡，經(jīng)過(guò)空間濾波器2擴(kuò)束的激光束應(yīng)均勻的照射到全息光學(xué)元件3上。全息光學(xué)元件3的結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生四束相干的干涉光束，其波矢分布見(jiàn)圖2，將1/2波片4緊緊置于全息光學(xué)元件3的中央光束出口之后，注意1/2波片的尺寸的選擇不能影響到其他三束光的出射，同時(shí)其 位置必須準(zhǔn)確的重疊于中央光束的出射位置，調(diào)節(jié)其中入射的中央線偏振光振動(dòng)方向與1/2波片4晶體表面光軸間的角度為 23° (可為15° 23. 5° )，在光刻膠板5上對(duì)四束光重疊的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行單次曝光，經(jīng)過(guò)顯影的流程即可得到一種大面積周期性間隙陣列結(jié)構(gòu)的光子晶體。[0029]實(shí)施例2[0030]參見(jiàn)圖4 6，與實(shí)施例I類(lèi)似，區(qū)別在于，將實(shí)施例I所述的全息光學(xué)元件進(jìn)行光柵位置的調(diào)整，成為另一種全息光學(xué)元件3’。這樣具有不同的波矢分布及波矢差。制備大面積間隙陣列結(jié)構(gòu)的光路見(jiàn)圖4，將1/2波片4緊緊置于四束光其中的第二束光Ic1的出光口的位置，并調(diào)節(jié)入射的線偏振光振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面上光軸間的角度φ為45°， 在光刻膠板5上對(duì)四束光重疊的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行單次曝光，經(jīng)過(guò)顯影的流程即可得到另一種大面積周期性間隙陣列結(jié)構(gòu)的光子晶體。
權(quán)利要求1.一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置，其特征在于依次設(shè)有激光器，空間濾波器，全息光學(xué)兀件，1/2波片和光刻膠板；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)空間濾波器的擴(kuò)束后照射到全息光學(xué)元件上，經(jīng)全息光學(xué)元件產(chǎn)生四束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光學(xué)元件的其中I個(gè)出光口之后，入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度為設(shè)定值，四束光重疊射在光刻膠板上，在光刻膠板上對(duì)四束光重疊的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行單次曝光，經(jīng)過(guò)顯影的流程即可得到大面積周期性間隙陣列結(jié)構(gòu)的光子晶體。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置，其特征在于所述全息光學(xué)元件為能夠產(chǎn)生二維周期性微結(jié)構(gòu)的元件，該全息光學(xué)元件設(shè)有3個(gè)衍射光柵，3 個(gè)衍射光柵呈扇形均布，使用時(shí)，在法向一側(cè)的不共面的三束光兩兩之間夾角互為120° ； 所述入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度的設(shè)定值為 15。 23. 5。。
3.如權(quán)利要求I所述的一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置，其特征在于所述全息光學(xué)元件為能夠產(chǎn)生二維周期性微結(jié)構(gòu)的元件，該全息光學(xué)元件設(shè)有3個(gè)衍射光柵，使用時(shí)，在法向一側(cè)的不共面三束光夾角均為60°，與法向另一側(cè)的光束夾角為120° ;所述入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度的設(shè)定值為45°。
4.如權(quán)利要求I所述的一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置，其特征在于所述激光器采用功率可調(diào)的氬離子激光器。
專(zhuān)利摘要一種基于全息干涉術(shù)的光子晶體制造裝置，涉及光子晶體制造裝置。依次設(shè)有激光器、空間濾波器、全息光學(xué)元件、1/2波片和光刻膠板；激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)空間濾波器的擴(kuò)束后照射到全息光學(xué)元件上，經(jīng)全息光學(xué)元件產(chǎn)生四束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光學(xué)元件的其中1個(gè)出光口之后，入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度為設(shè)定值，四束光重疊射在光刻膠板上，在光刻膠板上對(duì)四束光重疊的干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行單次曝光，經(jīng)顯影流程得大面積周期性間隙陣列結(jié)構(gòu)的光子晶體。所述入射1/2波片的線偏振光的振動(dòng)方向與1/2波片晶體表面光軸間的角度的設(shè)定值為15°～23.5°。
文檔編號(hào)G03F7/20GK202794592SQ20122045602
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者沈少鑫, 任雪暢, 李彥雙, 劉守 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)