專利名稱：三維光子晶體制備方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用全息方法制備三維光子晶體的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
光子晶體是由不同折射率的電介質(zhì)材料周期性排列而形成的人造晶體。與天然晶體衍射X射線不同，光子晶體衍射的是可見(jiàn)光和近紅外線。類似半導(dǎo)體材料對(duì)電子有能量禁帶，光子晶體對(duì)光波有光禁帶，即頻率在某一范圍內(nèi)的光波將無(wú)法通過(guò)特定的光子晶體，而被完全反射回來(lái)。此特性使得光子晶體有著許多重要的應(yīng)用，例如制備高效率發(fā)光二極管、光子晶體光纖、光子晶體激光器等，并在光通信、全光網(wǎng)絡(luò)、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等系統(tǒng)和器件中獲得重要應(yīng)用。
光子晶體的制作方法有多種，如層層疊加法、膠體自組織法，以及各種刻蝕、制版技術(shù)，包括X射線平板刻蝕、離子束刻蝕、掠射角沉積和調(diào)制光電化學(xué)刻蝕等技術(shù)。這些方法不僅制備過(guò)程復(fù)雜，而且不易得到多層的光子晶體。在所報(bào)道的(見(jiàn)文獻(xiàn)MCampbell，D N Sharp，M T Harrison，et al，F(xiàn)abrication of photonic crystals for the visiblespectrum by holographic lithography，Nature，2000，40453-56。)全息技術(shù)中，四束光干涉技術(shù)的制備過(guò)程最快，但目前所采用的四束激光是用許多光學(xué)元件將一束激光分成四路，再經(jīng)半波片將各光路的偏振方向轉(zhuǎn)成同一方向，然后再對(duì)各束光進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種穩(wěn)定性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的制備三維光子晶體的方法及其制備時(shí)所用的一種裝置。
本發(fā)明所說(shuō)的三維光子晶體制備方法是將激光經(jīng)擴(kuò)束與空間濾波，再變成擴(kuò)束的平行光，將擴(kuò)束后的平行光照射到光柵版上，在光柵版后產(chǎn)生4束光干涉，在干涉區(qū)域放置全息記錄干版，經(jīng)曝光顯影后，即得三維光子晶體。
為了制備三維光子晶體，本發(fā)明給出一種制備三維光子晶體的裝置，它設(shè)有激光器，在激光器輸出激光的光路上依次設(shè)有1個(gè)擴(kuò)束與空間濾波器、1個(gè)準(zhǔn)直透鏡、1個(gè)光柵版和1塊全息記錄干版。所說(shuō)的激光對(duì)全息記錄干版敏感，例如442nm和458nm波長(zhǎng)對(duì)光刻膠版敏感。所說(shuō)的光柵版對(duì)擴(kuò)束后的平行光形成4束光干涉。
本發(fā)明采用很少的光學(xué)元件，只需單束激光和一個(gè)光柵版就能產(chǎn)生四束光，并以期望的方向運(yùn)行。四束光匯合后在自由空間互相干涉，產(chǎn)生了光強(qiáng)度周期性變化的三維圖形。用光敏材料將圖形記錄下來(lái)，就在材料中產(chǎn)生了折射率周期性變化的三維晶格結(jié)構(gòu)。只要晶格結(jié)構(gòu)中的二種折射率之比足夠大(如達(dá)到2.1以上)，就能產(chǎn)生光子禁帶，該材料就能用做光子晶體。如果用光致抗蝕劑干版(簡(jiǎn)稱光刻膠版)做記錄材料，亦可將記錄下的結(jié)構(gòu)當(dāng)作模版，用高折射率材料翻制成光子晶體。而且其制備過(guò)程簡(jiǎn)單。


圖1為三維光子晶體制備裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為三維光子晶體制備裝置實(shí)施例的光柵版的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為4束干涉光方向示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，激光器1輸出一束波長(zhǎng)對(duì)記錄干版5敏感的激光(如442nm和458nm波長(zhǎng)對(duì)光刻膠版敏感)，經(jīng)擴(kuò)束濾波器2擴(kuò)束及空間濾波后，被一透鏡3準(zhǔn)直，然后照射到一塊光柵版4上。如圖2所示，光柵版4上面制作了三個(gè)光柵41。在光柵版4的中心有一塊空白區(qū)域42，形狀沒(méi)有固定要求，可以是四方形，圓形或三角形等。三個(gè)光柵41圍繞著中心區(qū)域，各光柵之間相差120°。透過(guò)光柵版的光形成了四束(參見(jiàn)圖3)，一束中心光束從光柵版4中心的空白區(qū)域42(如圖2中的方形)透過(guò)并沿光軸傳播，運(yùn)行方向沒(méi)有任何改變；另外三束光分別由三個(gè)光柵41的一級(jí)衍射光形成，運(yùn)行方向與光軸形成一夾角θ，該角度即光柵的第一級(jí)衍射角。由于三個(gè)光柵的光柵常數(shù)完全相同并對(duì)稱排列，三束衍射光以相同的角度θ偏離原來(lái)的運(yùn)行方向，拐向中心光束的方向。透過(guò)光柵版的四束光(中心光束和三個(gè)衍射光束)在光柵版之后匯合，在匯合區(qū)域產(chǎn)生干涉。干涉圖案具有三維周期性結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與三個(gè)光柵的衍射角(即中心光束與其它三個(gè)光束之間的夾角)有關(guān)。在產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)圖案的區(qū)域內(nèi)放置一塊感光膠較厚(幾微米以上)的全息記錄干版5(如光刻膠版)，對(duì)干版曝光然后顯影，即制作成三維光子晶體。曝光和顯影與通常制作全息圖的方法相同。
光柵版可采用攝影制版材料或全息記錄材料，最好光柵版必須有較好的透明度，以讓更多的光通過(guò)。光柵版上的光柵可以用攝影制版的方法制作，也可以用全息記錄方法制作。當(dāng)用全息方法制作時(shí)，所用材料是全息記錄干版，記錄的是透射式光柵。由于晶格結(jié)構(gòu)與光柵的衍射角有關(guān)，而光柵的衍射角又與光柵的條紋間隔有關(guān)，所以在制作光柵時(shí)必須選擇合適的條紋間隔，使得光柵的一級(jí)衍射角是所期望的角度。對(duì)三個(gè)光柵41和中心空白區(qū)域42的面積沒(méi)有嚴(yán)格要求，但最好光柵的一級(jí)衍射光的面積與從中心空白區(qū)域透過(guò)的光的面積接近，這樣可以充分利用光源，使四束光的干涉區(qū)域達(dá)到最大，有利于制作大面積三維光子晶體。
權(quán)利要求
1.三維光子晶體制備方法，其特征在于將激光經(jīng)擴(kuò)束與空間濾波，再變成擴(kuò)束的平行光，將擴(kuò)束后的平行光照射到光柵版上，在光柵版后產(chǎn)生4束光干涉，在干涉區(qū)域放置全息記錄干版，經(jīng)曝光顯影后，即得三維光子晶體。
2.三維光子晶體制備裝置，其特征在于設(shè)有激光器，在激光器輸出激光的光路上依次設(shè)有1個(gè)擴(kuò)束與空間濾波器、1個(gè)準(zhǔn)直透鏡、1個(gè)光柵版和1塊全息記錄干版，所說(shuō)的光柵版對(duì)擴(kuò)束后的平行光形成4束光干涉。
3.如權(quán)利要求2所述的三維光子晶體制備裝置，其特征在于激光對(duì)全息記錄干版敏感。
4.如權(quán)利要求2所述的三維光子晶體制備裝置，其特征在于所說(shuō)的光柵版上設(shè)有三個(gè)光柵，在光柵版的中心有一塊空白區(qū)域，三個(gè)光柵圍繞著中心區(qū)域，各光柵之間相差120°。
5.如權(quán)利要求2或4所述的三維光子晶體制備裝置，其特征在于所說(shuō)的光柵版為攝影制版材料或全息記錄材料。
6.如權(quán)利要求2或4所述的三維光子晶體制備裝置，其特征在于所說(shuō)的光柵板的空白區(qū)域的形狀為四方形，圓形，三角形或其它形狀。
全文摘要
涉及一種用全息方法制備三維光子晶體的方法及裝置。將激光經(jīng)擴(kuò)束空間濾波，再變成擴(kuò)束的平行光照射到光柵版上，在光柵版后產(chǎn)生4束光干涉，在干涉區(qū)域放置記錄干版，再經(jīng)曝光顯影。設(shè)有激光器、擴(kuò)束與空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、光柵版和全息記錄干版，光柵版對(duì)擴(kuò)束后的平行光形成4束光干涉。只需單束激光和光柵版就能產(chǎn)生四束光，并以期望的方向運(yùn)行。四束光匯合后在自由空間互相干涉，產(chǎn)生了光強(qiáng)度周期性變化的三維圖形。用光敏材料產(chǎn)生折射率周期性變化的三維晶格結(jié)構(gòu)。只要晶格結(jié)構(gòu)中的二種折射率之比夠大，就能產(chǎn)生光子禁帶，該材料就能用做光子晶體。若用光刻膠版做記錄材料，亦可將記錄下的結(jié)構(gòu)當(dāng)作模版，用高折射率材料翻制成光子晶體。
文檔編號(hào)G03H1/00GK1556444SQ20041000300
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月9日
發(fā)明者劉守, 張向蘇, 劉影, 劉 守 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)