專利名稱：一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光子晶體陣列結構，尤其是涉及基于多束光全息干涉術的一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)。
背景技術：
光子晶體的概念是由E.Yablonovitch和S.John兩人于1987年首次獨立提出的，它是一種介電常數(shù)(或者說折射率)在空間呈周期性變化的材料。眾所周知，在半導體材料中原子排列的晶格結構產生的周期性電勢場影響著在其中運動的電子的性質，使其形成能帶結構。由于介電常數(shù)的周期性調制，電磁波在光子晶體中的傳播可以用類似于電子在半導體中運動的能帶結構來描述。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，形成光子禁帶(或稱光子帶隙)，頻率落在光子禁帶中的光波在一定方向上無法傳播。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。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，因而是最容易實現(xiàn)完全光子禁帶結構的(邊超，明海，光子晶體的研究進展及應用前景[J]，光電子技術與信息，2000,01.)。多束光全息干涉術常用來制造三維光子晶體結構。利用光刻膠的感光特性以及單次曝光法可十分方便地記錄三維光學結構。多束光全息干涉術具體技術要點如下:使用四束光全息干涉術可用來制備密排結構的等離子體納米間隙陣列。要獲得此結構需在一束特定干涉光中加入特定的相位，從而改變子晶格在整個晶體間的相對位置，進而改變晶格分布形貌并且結合光刻膠的非線性響應屬性。當將這種等離子體納米間隙陣列結構作為拉曼基底使用時，需在其孔洞陣列中填入例如金、銀等幣制金屬，隨后利用外加電場對基底進行激發(fā)，因為晶格陣列結構排布的密排程度，會直接影響納米金屬離子激發(fā)的耦合電場強度，進而影響拉曼散射信號的強弱，所以晶格結構排列越緊密，以此結構為基底產生的耦合電場強度的增幅也越強，其對應產生的表面增強的拉曼信號也越強([5]XiZhang，Martin Theuringj Qiang Song, Weidoong Mao，Milan Begliarbekovj and StefanStraufj “Holographic Control of Motive Shape in Plasmonic Nanogap Arrays, nNanolett.，2011，11，2715-2719.)。表面增強拉曼散射光譜技術(SERS)是從分子水平上表征表面或界面結構及其過程的靈敏技術，該技術的關鍵之一正是通過制備密排結構的顆粒基底來使得SERS信號得到進一步增強。研究制備表面形貌分布更為均勻、緊密、有序的金屬納米粒子陣列結構，不僅具有實際應用價值，而且有助于揭示SERS增強機理。由于以上因素，才使得越來越多的科技工作者致力于對密排周期性陣列結構的研究([6]Tian Z.Q., Ren B., Wu D.Y..J.Phys.Chem.B[J], 2002, 106(37):9463—9483.)。這些研究將物理領域的光子晶體結構的應用拓展到了電化學領域表面增強拉曼散射光譜技術領域。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供結構簡單、可操作性強、可獲得三維密排晶體陣列結構的一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)。本實用新型從左至右依次設有激光器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板；所述激光器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板設于同一光軸上，激光器發(fā)出的激光經過空間濾波器的擴束后照射到全息光學元件上，經全息光學元件產生4束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光學元件的中央出光口之后，4束光重疊干涉在光刻膠板上，在光刻膠板上對4束光重疊的干涉結構進行單次曝光，經過顯影的流程即可得到擁有三維密排晶格陣列結構的光子晶體。所述全息光學元件是一個能夠產生三維周期性微結構的元件，全息光學元件設有3片衍射光柵和I個中央孔洞的衍射光學元件，所述3片衍射光柵用螺絲夾持，每個衍射光柵都可以進行替換，衍射光柵的制備根據(jù)經典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光全息技術在同一位置用兩等光強、等入射角的平面波相互干涉制備而成。制備時注意3片衍射光柵的光刻膠尺寸、曝光功率、曝光時間以及顯影時間必須嚴格保持一致。利用1/2波片向系統(tǒng)中引入相位差，成功改變了晶格的排布。所述激光器可采用功率可調的氬離子激光器等。與現(xiàn)有技術比較，本實用新型的有益效果如下:本實用新型運用4束光全息干涉術制造三維光子晶體，利用特制的全息光學元件搭建干涉光路，并在中央的直通光光路中加入額外的90°相位差，從而達到改變干涉結構，進而改變光子晶體晶格陣列結構，獲得了預期的三維密排晶格陣列結構。該系統(tǒng)光路相較于通常采用的干涉光路而言結構簡單，可操作性強。本實用新型的原理是利用4束光的干涉，在光刻膠板上進行曝光，進而記錄其干涉強度分布，而后通過顯影等流程在光刻膠板上制造出三維光子晶體結構。本實用新型的關鍵在于采用特制的全息光學元件以及二分之一波片來控制4束光的相對強度、相位差等參數(shù)，以此來控制干涉結構空間周期性和平移對稱性。這種方法的優(yōu)點在于簡化了光路的結構，大大減少了光學器件的使用及光路調節(jié)的難度。這個方法的創(chuàng)新之處在于，能夠在同等拍攝條件下，在不降低記錄波長，不破壞晶格陣列結構的基礎上，制造出更為密排即更小周期的晶體陣列結構，并且通過驗證可以作為SERS技術中的拉曼基底使用，從而將物理領域的光子晶體拓展到了電化學領域。本實用新型通過使用4束光干涉的方法成功制備出三維密排的光子晶體晶格陣列結構，極大地優(yōu)化了光路結構，省卻了繁瑣的光路設計和擺放過程。由于突破了光路的繁雜性，使得制造密排結構的晶格陣列結構不再需要復雜的光路設計，也可以不降低記錄光波長，同時可通過對特殊的全息光學元件中不同周期光柵的替換，滿足了對不同周期的晶格陣列結構的要求。該系統(tǒng)緊湊穩(wěn)定，使得全息法制備三維密排光子晶體晶格陣列結構可走出實驗室，實現(xiàn)產業(yè)化，對表面增強拉曼散射光譜技術，拉曼光譜儀等技術儀器的優(yōu)化有很大的影響。本實用新型采用4束光干涉的三維全息術用來制造三維密排的光子晶體陣列結構。通過這個方法，能夠在不降低記錄波長、不破壞晶格陣列結構的基礎上，制造出更為密排即更小周期的晶體陣列結構，并以此為模板制造出高折射率對比度的互補結構。

圖1為本實用新型實施例的結構示意圖。在圖1中，各標記為:1為激光器，2為空間濾波器，3為全息光學兀件,4為1/2波片，5為光刻膠板,6為衍射光柵。圖2為四束光入射到光刻膠表面的波矢示意圖。在圖2中，標記仏為為為表示4束光；Φ、θ、120°、60。表示相應夾角。圖3為入射的四束光波矢在χ-y平面的投影圖。圖4為未添加90°相位差所得到的模擬陣列結構立體圖。圖5為未添加90°相位差所得到的模擬陣列結構俯視圖。圖6為添加90°相位差所得到的模擬陣列結構立體圖。圖7為添加90°相位差所得到的模擬陣列結構俯視圖。圖8為實驗所采用的特殊的全息光學元件結構圖。圖9為利用OLYMPUS自動數(shù)碼疊加成像顯微鏡拍攝的未加入波片時的三維光子晶體陣列俯視圖，標尺為10 μ m。圖10為利用OLYMPUS自動數(shù)碼疊加成像顯微鏡拍攝的加入波片時的三維光子晶體陣列俯視圖，標尺為10 μ m。圖11為利用Coredraw繪圖軟件繪制的未加入波片時的三維光子晶體陣列局部結構圖，在圖11中:111為晶格間的線性間隙陣列，112為晶格間的三角形間隙陣列，其中的三角形間隙中央有凹槽，113為干涉產生的六角形晶格。圖12為利用Coredraw繪圖軟件繪制的加入波片時的三維光子晶體陣列局部結構圖，在圖12中:121為晶格間的線性間隙陣列，122為干涉產生的六角形晶格。圖11和圖12繪制的局部選定區(qū)域擁有相同數(shù)目的六角形晶格。圖13為利用三維密排光子晶體陣列結構作為拉曼基底測試的拉曼散射信號實驗結果。圖中橫軸代表拉曼位移Raman shift/cnT1,縱軸代表拉曼散射信號強度Intensity,位于上方的曲線代表高緊密程度結構的拉曼信號，位于下方的曲線代表低緊密程度結構的拉曼信號。
具體實施方式
以下實施例將結合附圖對本實用新型做進一步的說明。參見圖1和8，本實用新型實施例從左至右依次設有激光器1、空間濾波器2、全息光學元件3、1/2波片4和光刻膠板5 ;所述激光器1、空間濾波器2、全息光學元件3、1/2波片4和光刻膠板5設于同一光軸上，激光器I發(fā)出的激光經過空間濾波器2的擴束后照射到全息光學元件3上，經全息光學元件3產生4束相干的干涉光束，1/2波片4置于全息光學兀件3的中央出光口 31之后,4束光重疊干涉在光刻膠板5上,在光刻膠板5上對4束光重疊的干涉結構進行單次曝光， 經過顯影的流程即可得到擁有三維密排晶格陣列結構的光子晶體。所述全息光學元件3是一個能夠產生三維周期性微結構的元件，全息光學元件3設有3片衍射光柵6和I個中央孔洞的衍射光學元件，所述3片衍射光柵6用螺絲61夾持，每個衍射光柵6都可以進行替換，衍射光柵的制備根據(jù)經典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光全息技術在同一位置用兩等光強、等入射角的平面波相互干涉制備而成。制備時注意3片衍射光柵的光刻膠尺寸、曝光功率、曝光時間以及顯影時間必須嚴格保持一致。利用1/2波片4向系統(tǒng)中引入相位差，成功改變了晶格的排布。所述激光器I可采用功率可調的氬離子激光器等。本實用新型首先利用M a t I a b軟件模擬“傘形”排布的4束干涉光，當中央出射光存在90°額外相位時，所產生的干涉結構圖，4束光的波矢分布如圖2所示，其波矢在x-y平面的投影如圖3所示。此計算是建立在每次模擬中的入射光強、曝光時間、顯影時間等相關參數(shù)均保持相同的假設上的。模擬的光波波長為458nm。唯一的變量為是否在中央出射光中加入90°額外相位差。模擬結果為:圖4為未添加90°相位差所得到的模擬陣列結構立體圖；圖5為未添加90°相位差所得到的模擬陣列結構俯視圖；圖6為添加90°相位差所得到的模擬陣列結構立體圖；圖7為添加90°相位差所得到的模擬陣列結構俯視圖。具體模擬過程:將兩種相位值條件分別空間光強I式子內，利用正性光刻膠的非線性響應屬性，由于吸收了光子的部分經顯影后被溶解掉，未吸收光子的部分由于腐蝕速度慢而保留下來，因此可以假設大于等于某一光強的位置處的光刻膠經顯影后被除去，其余保留下來，即只畫出小于某一光強值的光強分布，就可得到如圖4 7所示的全息光子晶體晶格陣列在光刻膠中的模擬圖。由模擬結構可以觀察到，加入90°額外相位后，晶體的晶格結構確實發(fā)生了變化。具體表現(xiàn)為相鄰兩個晶格相互連接，并且相鄰三個晶格中間的三角形間隙向下產生了位移，從而形成了一個類似“倒易”的結構?？梢詺w納出加入90°額外相位后的晶格結構變化的趨勢應為晶格間隙排布變得單一而均勻，不再出現(xiàn)多種形狀的間隙陣列相互交錯的情況。如圖1所示為制造三維密排晶體陣列結構的全息系統(tǒng)結構示意圖，其中所使用的激光器I采用功率可調的氬離子激光器，所使用的全息光學元件3，結構圖如圖8所示，采用的是能夠產生三維周期性微結構的光學元件，該全息光學元件3是一個特制的可替換型包含3片衍射光柵以及一個中央孔洞的衍射光學元件。其中可以用螺絲夾持3片衍射光柵6，每個衍射光柵都可以進行替換，光柵的制備根據(jù)經典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光全息技術在同一位置用兩等光強、等入射角的平面波相互干涉制備而成。制備時注意3片衍射光柵的光刻膠尺寸、曝光功率、曝光時間以及顯影時間必須嚴格保持一致。經過空間濾波器2擴束的激光束應均勻的照射到全息光學元件3上。全息光學元件3的結構可產生四束相干的干涉光束，其波矢分布如圖2所示。之后，將1/2波片4緊緊置于全息光學元件3的中央光束出口之后，經過對光刻膠板的曝光、顯影等流程，即可得到一種三維密排晶格陣列結構。所使用的激光器I采用功率可調的氬離子激光器，曝光時的功率為180mW，所使用的全息光學元件3，實驗采用的元件結構圖如圖1和8所示，是一個可替換型且包含3片衍射光柵以及一個中央孔洞的能夠產生三維周期性微結構的特制的衍射光學元件。全息光學元件3中夾持的光柵周期為1.5 μ m。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，經過空間濾波器2擴束的激光束應均勻的照射到全息光學元件3上。空間濾波器2與全息光學兀件3的距離為39cm。在全息光學兀件3之前，中央投射光區(qū)域放置一塊二分之一波片，之后調整放置于全息光學元件3之后的光刻膠版5的位置，使得四束干涉光的重疊干涉結構準確的落在其上。接著，在光刻膠板5上對四束光重疊的干涉結構進行單次曝光，曝光時間為60s，經過顯影流程，顯影使用濃度為2%的NaOH溶液，顯影時間為20s，即可得到相應的結構。先拍攝未加入二分之一波片時四束光干涉形成的光子晶體陣列結構。需要注意的是，拍攝前，需在全息光學元件3的中央直透光孔處添加一塊透明玻璃，以模擬光透過二分之一波片時的光強損失情況。經過對光刻膠板的曝光、顯影等流程，得到的光子晶體陣列結構如圖9所示。接著，將1/2波片4緊緊置于全息光學元件3的中央光束出口之后，注意1/2波片的放置不能影響到其他三束光的出射，同時其位置必須準確的重疊于中央光束的出射位置，經過對光刻膠板的曝光、顯影等流程，即可得到一種三維密排的光子晶體陣列結構，如圖10所示。實驗效果說明:結合圖9和圖10所觀察到的實驗效果圖，圖11和圖12是利用coredraw繪圖軟件繪制出的在圖9和圖10中選定的擁有同等晶格數(shù)目的陣列結構。六角形代表的是圖9或圖10中的六角晶格，虛線區(qū)域表示的是圖9或圖10中的晶格間隙即圖中晶格間的“田埂”狀間隙。在圖11中，標記111為晶格間的線性間隙陣列，112為晶格間的三角形間隙陣列，其中的三角形間隙中央有凹槽，113為干涉產生的六角形晶格。在圖12中，標記121為晶格間的線性間隙陣列，122為干涉產生的六角形晶格。比較圖11、12以及圖4、6所示的結構，可以證實，用此方法得到的實驗結果確實如模擬結構所示的，其晶格結構發(fā)生了所模擬出的結構變化趨勢，即晶格間隙陣列排布變得更為均勻且單一，進一步證明了該方法的可行性。為了進一步說明，比較圖11和圖12所示的兩種結構可以發(fā)現(xiàn)，圖12所示的陣列結構分布更加有序，不再出現(xiàn)圖11所示的線性間隙陣列和三角形間隙陣列交錯排布的情況。同時，在占用相同數(shù)目晶格數(shù)目的條件下，加入波片后所獲得的晶格陣列結構體積更小，結構更緊密。由此可以證實，能夠在同等拍攝條件下，在不降低記錄波長，不破壞晶格陣列結構的基礎上，制造出更為密排的光子晶體陣列結構。圖13是利用三維密排的光子晶體陣列結構作為拉曼基底測試的拉曼散射信號實驗結果。測試結果可驗證，加入二分之一波片后的三維密排光子晶體陣列結構較之緊密程度較低的光子晶體陣列結構而言，擁有更強的拉曼散射信號。
權利要求1.一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)，其特征在于從左至右依次設有激光器、空間濾波器、全息光學兀件、1/2波片和光刻膠板；所述激光器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板設于同一光軸上，激光器發(fā)出的激光經過空間濾波器的擴束后照射到全息光學元件上，經全息光學元件產生4束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光學元件的中央出光口之后，4束光重疊干涉在光刻膠板上，在光刻膠板上對4束光重疊的干涉結構進行單次曝光，經過顯影的流程即可得到擁有三維密排晶格陣列結構的光子晶體。
2.如權利要求1所述一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)，其特征在于所述全息光學元件設有3片衍射光柵和I個中央孔洞的衍射光學元件，所述3片衍射光柵用螺絲夾持，每個衍射光柵都可以進行替換。
3.如權利要求1所述一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)，其特征在于所述激光器采用功率可調的氬離子激光器。
專利摘要一種制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)，涉及光子晶體陣列結構。提供一種結構簡單、可操作性強、可獲得三維密排晶體陣列結構的制造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統(tǒng)。從左至右依次設有激光器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板；所述激光器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板設于同一光軸上，激光器發(fā)出的激光經過空間濾波器的擴束后照射到全息光學元件上，經全息光學元件產生4束相干的干涉光束，1/2波片置于全息光學元件的中央出光口之后，4束光重疊干涉在光刻膠板上，在光刻膠板上對4束光重疊的干涉結構進行單次曝光，經過顯影的流程即可得到擁有三維密排晶格陣列結構的光子晶體。
文檔編號G02B5/32GK203012351SQ20132002867
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權日2013年1月18日
發(fā)明者沈少鑫, 任雪暢, 劉守 申請人:廈門大學