一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統的製作方法

2023-10-08 12:38:39

專利名稱：一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光子晶體陣列結構，尤其是涉及基於多束光全息幹涉術的一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統。
背景技術：
光子晶體的概念是由E.Yablonovitch和S.John兩人於1987年首次獨立提出的，它是一種介電常數(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。由於介電常數的周期性調製，電磁波在光子晶體中的傳播可以用類似於電子在半導體中運動的能帶結構來描述。具體表現為: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。按介電常數的周期性變化及其出現的空間維度，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在三維方向呈周期性排列，因而是最容易實現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.)。多束光全息幹涉術常用來製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。多束光全息幹涉術具體技術要點如下:使用四束光全息幹涉術可用來製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幹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並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，隨後利用外加電場對基底進行激發，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)是從分子水平上表徵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製備密排結構的顆粒基底來使得SERS信號得到進一步增強。研究製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，而且有助於揭示SERS增強機理。由於以上因素，才使得越來越多的科技工作者致力於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製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統。本實用新型從左至右依次設有雷射器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板；所述雷射器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板設於同一光軸上，雷射器發出的雷射經過空間濾波器的擴束後照射到全息光學元件上，經全息光學元件產生4束相干的幹涉光束，1/2波片置於全息光學元件的中央出光口之後，4束光重疊幹涉在光刻膠板上，在光刻膠板上對4束光重疊的幹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，衍射光柵的製備根據經典的相干光幹涉理論和衍射理論，採用雷射全息技術在同一位置用兩等光強、等入射角的平面波相互幹涉製備而成。製備時注意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波片向系統中引入相位差，成功改變了晶格的排布。所述雷射器可採用功率可調的氬離子雷射器等。與現有技術比較，本實用新型的有益效果如下:本實用新型運用4束光全息幹涉術製造三維光子晶體，利用特製的全息光學元件搭建幹涉光路，並在中央的直通光光路中加入額外的90°相位差，從而達到改變幹涉結構，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。該系統光路相較於通常採用的幹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束光的幹涉，在光刻膠板上進行曝光，進而記錄其幹涉強度分布，而後通過顯影等流程在光刻膠板上製造出三維光子晶體結構。本實用新型的關鍵在於採用特製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，以此來控制幹涉結構空間周期性和平移對稱性。這種方法的優點在於簡化了光路的結構，大大減少了光學器件的使用及光路調節的難度。這個方法的創新之處在於，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，製造出更為密排即更小周期的晶體陣列結構，並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束光幹涉的方法成功製備出三維密排的光子晶體晶格陣列結構，極大地優化了光路結構，省卻了繁瑣的光路設計和擺放過程。由於突破了光路的繁雜性，使得製造密排結構的晶格陣列結構不再需要複雜的光路設計，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。該系統緊湊穩定，使得全息法製備三維密排光子晶體晶格陣列結構可走出實驗室，實現產業化，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化有很大的影響。本實用新型採用4束光幹涉的三維全息術用來製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，製造出更為密排即更小周期的晶體陣列結構，並以此為模板製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為雷射器，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為實驗所採用的特殊的全息光學元件結構圖。圖9為利用OLYMPUS自動數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繪圖軟體繪製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為幹涉產生的六角形晶格。圖12為利用Coredraw繪圖軟體繪製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為幹涉產生的六角形晶格。圖11和圖12繪製的局部選定區域擁有相同數目的六角形晶格。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,位於上方的曲線代表高緊密程度結構的拉曼信號，位於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雷射器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 ;所述雷射器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設於同一光軸上，雷射器I發出的雷射經過空間濾波器2的擴束後照射到全息光學元件3上，經全息光學元件3產生4束相干的幹涉光束，1/2波片4置於全息光學兀件3的中央出光口 31之後,4束光重疊幹涉在光刻膠板5上,在光刻膠板5上對4束光重疊的幹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，衍射光柵的製備根據經典的相干光幹涉理論和衍射理論，採用雷射全息技術在同一位置用兩等光強、等入射角的平面波相互幹涉製備而成。製備時注意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向系統中引入相位差，成功改變了晶格的排布。所述雷射器I可採用功率可調的氬離子雷射器等。本實用新型首先利用M a t I a b軟體模擬「傘形」排布的4束幹涉光，當中央出射光存在90°額外相位時，所產生的幹涉結構圖，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，由於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於腐蝕速度慢而保留下來，因此可以假設大於等於某一光強的位置處的光刻膠經顯影后被除去，其餘保留下來，即只畫出小於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°額外相位後，晶體的晶格結構確實發生了變化。具體表現為相鄰兩個晶格相互連接，並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。可以歸納出加入90°額外相位後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，不再出現多種形狀的間隙陣列相互交錯的情況。如圖1所示為製造三維密排晶體陣列結構的全息系統結構示意圖，其中所使用的雷射器I採用功率可調的氬離子雷射器，所使用的全息光學元件3，結構圖如圖8所示，採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是一個特製的可替換型包含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，光柵的製備根據經典的相干光幹涉理論和衍射理論，採用雷射全息技術在同一位置用兩等光強、等入射角的平面波相互幹涉製備而成。製備時注意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擴束的雷射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幹涉光束，其波矢分布如圖2所示。之後，將1/2波片4緊緊置於全息光學元件3的中央光束出口之後，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。所使用的雷射器I採用功率可調的氬離子雷射器，曝光時的功率為180mW，所使用的全息光學元件3，實驗採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製的衍射光學元件。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擴束的雷射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，中央投射光區域放置一塊二分之一波片，之後調整放置於全息光學元件3之後的光刻膠版5的位置，使得四束幹涉光的重疊幹涉結構準確的落在其上。接著，在光刻膠板5上對四束光重疊的幹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幹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緊緊置於全息光學元件3的中央光束出口之後，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於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繪圖軟體繪製出的在圖9和圖10中選定的擁有同等晶格數目的陣列結構。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為幹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為幹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現，圖12所示的陣列結構分布更加有序，不再出現圖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，在佔用相同數目晶格數目的條件下，加入波片後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，製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，加入二分之一波片後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1.一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統，其特徵在於從左至右依次設有雷射器、空間濾波器、全息光學兀件、1/2波片和光刻膠板；所述雷射器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板設於同一光軸上，雷射器發出的雷射經過空間濾波器的擴束後照射到全息光學元件上，經全息光學元件產生4束相干的幹涉光束，1/2波片置於全息光學元件的中央出光口之後，4束光重疊幹涉在光刻膠板上，在光刻膠板上對4束光重疊的幹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所述一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統，其特徵在於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所述一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統，其特徵在於所述雷射器採用功率可調的氬離子雷射器。
專利摘要一種製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統，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製造三維密排光子晶體陣列結構的全息系統。從左至右依次設有雷射器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板；所述雷射器、空間濾波器、全息光學元件、1/2波片和光刻膠板設於同一光軸上，雷射器發出的雷射經過空間濾波器的擴束後照射到全息光學元件上，經全息光學元件產生4束相干的幹涉光束，1/2波片置於全息光學元件的中央出光口之後，4束光重疊幹涉在光刻膠板上，在光刻膠板上對4束光重疊的幹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 優先權日2013年1月18日
發明者沈少鑫, 任雪暢, 劉守 申請人:廈門大學