專利名稱：一種光子晶體光限幅器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體光限幅器的制作，屬于激光防護(hù)技術(shù)。
背景技術(shù)：
激光作為一種高技術(shù)在科技、國防和日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。與此同時(shí)，激光在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域中得到了廣泛而迅速的發(fā)展，特別是激光致盲(或致眩)和強(qiáng)激光武器在現(xiàn)代光電對抗戰(zhàn)場上的大量應(yīng)用，以其特有的殺傷方式而引人注目。面對新型激光武器的威脅，研制新型激光防護(hù)器件已成為國防科研刻不容緩的問題，對于國家安全具有極其重要的意義。
目前已投入應(yīng)用的激光防護(hù)器件主要包括防護(hù)鏡、激光防護(hù)濾光片等，這些器件大多基于線性光學(xué)的原理，一般采用吸收、反射、衍射等手段實(shí)現(xiàn)防護(hù)。這些器件對激光具有一定的防護(hù)作用，但存在防護(hù)波段窄、可見光透過率低、防護(hù)角度范圍受限等許多缺點(diǎn)。隨著可調(diào)諧激光技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這些線性光學(xué)防護(hù)器件已不再滿足要求。目前研究重點(diǎn)是采用非線性光限幅效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)激光防護(hù)功能。
將有機(jī)材料的非線性光限幅效應(yīng)和光子晶體的光子禁帶特性相結(jié)合，構(gòu)造光子晶體光限幅器是目前新型激光防護(hù)器件的研究熱點(diǎn)。光子晶體光限幅器具有光幅閾值低、激光損傷閾值高、熱效應(yīng)小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，對提高我軍激光防護(hù)水平具有重要意義。
根據(jù)文獻(xiàn)檢索，目前只有美國海軍實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了有關(guān)光子晶體光限幅器制作的方法。1998年，針對可見光波段，美國海軍實(shí)驗(yàn)室提出了利用乙醇和對氮苯黑兩種有機(jī)材料和玻璃毛細(xì)管束制作二維光子晶體光限幅器(Lin H-B，Tonucci R.J，Campillo A.J，Optics Letters，Vol.23，No.2，January 15，1998)。2000年，該實(shí)驗(yàn)室又提出了采用具有反飽和吸收光限幅效應(yīng)的酞菁染料和玻璃毛細(xì)管束制作性能更好的二維光子晶體光限幅器(James S.Shirk，Armand Rosenberg，Laser FocusWorld，Vol.36，No.4，April，2000)。具體措施是先采用類似制作光纖的技術(shù)制作呈三角形周期排列的納米玻璃毛細(xì)管束，即二維空氣柱型光子晶體，然后將其浸入有機(jī)光限幅材料(酞菁染料或乙醇和對氮苯黑)溶液中，通過毛細(xì)滲透作用，有機(jī)光限幅材料均勻浸潤在納米玻璃毛細(xì)管管壁，再經(jīng)過定形、拋光等后續(xù)工序制作光子晶體光限幅器。這項(xiàng)技術(shù)目前還不是很成熟，而且存在兩大不足(1)納米玻璃毛細(xì)管束的制作，整個(gè)制作工序復(fù)雜、難度大、成本高；(2)有機(jī)光限幅材料能夠均勻浸潤在納米玻璃毛細(xì)管的管壁，再經(jīng)過定形、拋光等后續(xù)制作工藝成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題針對上述光子晶體光限幅器實(shí)驗(yàn)制作難度大、成本高等問題，提出一種相對簡單、可行、低成本的光子晶體光限幅器的制作方法。
本發(fā)明技術(shù)解決方案光子晶體光限幅器的制作方法，其特點(diǎn)在于包括以下步驟(1)微細(xì)加工技術(shù)制作一維或二維光子晶體；(2)將酞菁5-20％(質(zhì)量百分比)摻入光敏膠80-95％(質(zhì)量百分比)中，得到混合體系；(3)再將混合體系滲透入一維光子晶體空氣凹槽或二維光子晶體空氣柱中，通過紫外光照固化，得到光子晶體光限幅器。
所述的一維光子晶體由二氧化硅和空氣凹槽交替排列構(gòu)成，空氣凹槽通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在二氧化硅基片上制作得到。所述的二維光子晶體由空氣柱在二氧化硅中呈周期排列構(gòu)成，空氣柱通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)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。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)現(xiàn)有技術(shù)采用類似于制作光纖的技術(shù)制作呈三角形周期排列的納米玻璃毛細(xì)管束，實(shí)驗(yàn)成本高、難度大；而本發(fā)明采用光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制作一、二維光子晶體，實(shí)驗(yàn)成本低、難度小。
(2)現(xiàn)有技術(shù)采用將有機(jī)光限幅材料均勻浸潤在納米玻璃毛細(xì)管的管壁，再經(jīng)過定形、拋光等后續(xù)制作工藝成型，實(shí)驗(yàn)工藝復(fù)雜、周期長、難度大；而本發(fā)明將酞菁和光敏膠的混合體系滲透入一、二維光子晶體空氣凹槽和空氣柱中，通過紫外光照固化，制作光子晶體光限幅器。


圖1為本發(fā)明的步驟流程圖；圖2為本發(fā)明的一維晶體光子結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a、圖4b為本發(fā)明光子晶體光限幅原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的光子晶體光限幅器制作方法主要分為以下步驟(1)一維和二維光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)采用光刻和反應(yīng)離子刻蝕微細(xì)加工技術(shù)制作一、二維光子晶體；(3)將酞菁摻入光敏膠中，得到混合體系；(4)再將混合體系滲透入一維光子晶體空氣凹槽或二維光子晶體空氣柱中，通過紫外光照固化，得到光子晶體光限幅器。
如圖2所示為一維晶體光子結(jié)構(gòu)示意圖。圖中黑色區(qū)域?yàn)槎趸?，白色區(qū)域?yàn)槌手芷诜植嫉目諝獍疾?。圖中n1、n2分別為兩種材料的折射率，n1＝1.54(二氧化硅)，n2＝1(空氣)；h1為二氧化硅的寬度，h2為空氣凹槽的寬度；晶格常數(shù)為a，a＝h1+h2。一般情況下，晶格常數(shù)a約等于激光防護(hù)波長(即入射光波長)的1/2.5。
例1以入射光波長為532nm為例，SiO2和空氣凹槽的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，兩種材料的寬度分別為SiO2，h1＝87.5nm，空氣凹槽，h2＝131.2nm。
例2以入射光波長為700nm為例，SiO2和空氣凹槽的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，兩種材料的寬度分別為SiO2，h1＝115.1nm，空氣凹槽，h2＝172.6nm。
例3以入射光波長為450nm為例，SiO2和空氣凹槽的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，兩種材料的寬度分別為SiO2，h1＝74.0nm，空氣凹槽，h2＝111.0nm。
如圖3所示，為二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中圓形區(qū)域?yàn)槿切沃芷诜植嫉目諝庵?，灰色平板區(qū)域?yàn)槎趸?。圖中n1、n2分別為兩種材料的折射率，n1＝1.54(二氧化硅)，n2＝1(空氣)；圖中a為空氣柱圓心距，即晶格常數(shù)；2r為空氣柱直徑；d為空氣柱高度。一般情況下，晶格常數(shù)a約等于入射光波長的1/2。
例4以入射光波長為532nm為例，SiO2和空氣柱的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，空氣柱直徑2r＝248.1nm，晶格常數(shù)a＝259.6nm。
例5以入射光波長為700nm為例，SiO2和空氣柱的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，空氣柱直徑2r＝326.5nm，晶格常數(shù)a＝341.5nm。
例6以入射光波長為450nm為例，SiO2和空氣柱的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，空氣柱直徑2e＝209.9nm，晶格常數(shù)a＝219.6nm。
圖4a中圓形圖形為三角形周期排列的空氣柱中所填充的酞菁，方形區(qū)表示二氧化硅，兩種材料的折射率相等。當(dāng)入射光能量小于光限幅閾值時(shí)，光子晶體光限幅器透過率高，處于透明狀態(tài)，入射光可完全透過光子晶體光限幅器。圖4b中黑色圓形圖形表示折射率發(fā)生改變的酞菁，方形區(qū)表示二氧化硅，兩種材料存在折射率差。當(dāng)入射光能量大于光限幅閾值時(shí)，酞菁的折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致兩種材料存在折射率差，具有光子禁帶。當(dāng)入射光頻率位于光子禁帶頻率范圍時(shí)，完全被光子晶體反射，不能在光子晶體中傳播。
實(shí)施例7一維光子晶體限幅器的制作步驟如下(1)一維光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用美國Rsoft公司的Bandsolve軟件進(jìn)行一維光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。打開用戶界面，輸入SiO2和空氣凹槽的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，兩種材料的寬度分別為h1＝0.5a(SiO2)，h2＝0.5a(空氣凹槽)，a為晶格常數(shù)。然后進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果具有光子帶隙，再進(jìn)行h1掃描，即通過軟件的掃描功能，計(jì)算對于不同入射光波長具有最大光子帶隙時(shí)，h1、h2的最佳值。以入射光波長為532nm為例，計(jì)算得到兩種材料的寬度分別為h1＝87.5nm(SiO2)，h2＝131.2nm(空氣凹槽)。以入射光波長為700nm為例，兩種材料的寬度分別為h1＝115.1nm(SiO2)，h2＝172.6nm(空氣凹槽)。
(2)采用微細(xì)加工技術(shù)制作一維光子晶體根據(jù)所設(shè)計(jì)的一維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)制作光刻掩膜板；采用酸性清洗液和去離子水分別清洗二氧化硅基片，烘干；采用涂膠機(jī)將AZ9260光刻膠旋涂于二氧化硅基片上，然后置于熱板上烘干，溫度65℃，時(shí)間10分鐘；將烘好后的二氧化硅基片置于光刻機(jī)基片位置上，并將光刻掩膜板置于掩膜板位置上進(jìn)行曝光，曝光采用紫外燈，波長為365nm，曝光時(shí)間為2分鐘；將曝光后的二氧化硅基片置于顯影液中進(jìn)行顯影、漂洗。曝光部分圖形因聚合物的交聯(lián)反應(yīng)形成溶于顯影液的聚合物而形成凹槽結(jié)構(gòu)，而未曝光部分圖形不溶于顯影液，得到二氧化硅和空氣凹槽交替排列的一維光子晶體結(jié)構(gòu)。
(3)將酞菁摻入光敏膠中，得到混合體系將10％或20％的酞菁(質(zhì)量百分比)摻入80％或90％的紫外光敏膠(質(zhì)量百分比)中，采用攪拌器進(jìn)行攪拌，得到混合體系。
(4)再將混合體系滲透入一維光子晶體空氣凹槽中，通過紫外光照固化，得到光子晶體光限幅器。
在顯微鏡下操作，將裝有酞菁和紫外光敏膠混合液的注射器對準(zhǔn)一維光子晶體空氣凹槽，逐滴滲入空氣凹槽中，然后置于紫外燈下光照固化，固化時(shí)間為20分鐘。
實(shí)施例8二維光子晶體限幅器的制作，其步驟如下(1)二維光子晶體的步驟如下采用美國Rsoft公司的Bandsolve軟件進(jìn)行二維光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。打開用戶界面，輸入SiO2和空氣柱的折射率分別為n1＝1.54和n2＝1，空氣柱的半徑r＝0.5a(a為晶格常數(shù))，然后進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果具有光子帶隙，再進(jìn)行r掃描，即通過軟件的掃描功能，計(jì)算對于不同入射光波長具有最大光子帶隙時(shí)，r的最佳值。以入射光波長為532nm為例，計(jì)算得到空氣柱的直徑2r＝248.1nm，晶格常數(shù)a＝259.6nm。以入射光波長為700nm為例，計(jì)算得到空氣柱直徑2r＝326.5nm，晶格常數(shù)a＝341.5nm。
(2)采用微細(xì)加工技術(shù)制作二維光子晶體根據(jù)所設(shè)計(jì)的二維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)制作光刻掩膜板；采用酸性清洗液和去離子水分別清洗二氧化硅基片，烘干；采用涂膠機(jī)將AZ9260光刻膠旋涂于二氧化硅基片上，然后置于熱板上烘干，溫度65℃，時(shí)間20分鐘；將烘好后的二氧化硅基片置于光刻機(jī)基片位置上，并將光刻掩膜板置于掩膜板位置上進(jìn)行曝光，曝光采用紫外燈，波長為365nm，曝光時(shí)間為5分鐘；將曝光后的二氧化硅基片置于顯影液中進(jìn)行顯影、漂洗。曝光部分圖形因聚合物的交聯(lián)反應(yīng)形成溶于顯影液的聚合物而形成柱狀結(jié)構(gòu)，而未曝光部分圖形不溶于顯影液，得到空氣柱呈周期分布的二維光子晶體結(jié)構(gòu)。
(3)將酞菁摻入光敏膠中，得到混合體系將酞菁5％(質(zhì)量百分比)摻入紫外光敏膠95％(質(zhì)量百分比)中，采用攪拌器進(jìn)行攪拌，得到混合體系。
(4)再將混合體系滲透入二維光子晶體空氣柱中，通過紫外光照固化，得到光子晶體光限幅器。
在顯微鏡下操作，將裝有酞菁和紫外光敏膠混合液的注射器對準(zhǔn)二維光子晶體空氣柱，逐滴滲入空氣柱中，然后置于紫外燈下光照固化，固化時(shí)間為40分鐘。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光限幅器的制作方法，其特征在于包括以下步驟(1)光刻或反應(yīng)離子刻蝕微細(xì)加工技術(shù)制作一維或二維光子晶體；(2)將質(zhì)量百分比為5-20％的酞菁摻入質(zhì)量百分比為80-95％的光敏膠中，得到混合體系；(3)再將混合體系滲透入一維光子晶體空氣凹槽或二維光子晶體空氣柱中，通過紫外光照固化，得到光子晶體光限幅器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光限幅器制作方法，其特征在于所述的一維光子晶體由二氧化硅和空氣凹槽交替排列構(gòu)成，空氣凹槽通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在二氧化硅基片上制作得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光限幅器制作方法，其特征在于所述的二維光子晶體由空氣柱在二氧化硅中呈周期排列構(gòu)成，空氣柱通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制作得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光子晶體光限幅器制作方法，其特征在于所述二氧化硅和酞菁的折射率相同。
全文摘要
一種光子晶體光限幅器的制作方法，主要分為三步微細(xì)加工技術(shù)制作光子晶體；將酞菁有機(jī)非線性材料摻入光敏膠中，得到混合體系；再將混合體系滲透入光子晶體的空氣凹槽或空氣柱中，通過紫外光照固化，得到光子晶體光限幅器。本發(fā)明的光子晶體可為一維光子晶體和二維光子晶體。一維光子晶體由二氧化硅和空氣凹槽交替排列構(gòu)成。二維光子晶體由空氣柱在二氧化硅中呈周期結(jié)構(gòu)排列?？諝獍疾酆涂諝庵ㄟ^光刻和反應(yīng)離子刻蝕微細(xì)加工技術(shù)在二氧化硅基片上制作得到。本發(fā)明具有簡單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G03F7/20GK1971395SQ20061016507
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者張曉玉, 姚漢民, 杜春雷 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所