一種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子學(xué)微結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，尤其涉及一種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置及制作方法。
技術(shù)背景
[0002]光子晶體是一種介電常數(shù)(或折射率)在空間呈周期性變化的光子微結(jié)構(gòu)，它是一種新型的光學(xué)材料。光子晶體的出現(xiàn)使信息處理技術(shù)的“全光子化”和光子技術(shù)的微型化與集成化進(jìn)一步成為可能，它可能在未來導(dǎo)致信息技術(shù)的一次革命。
[0003]準(zhǔn)晶是一種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)程有序的特點(diǎn)并具有特定的衍射圖案，然而不具有晶體所具備的平移對(duì)稱性。因此準(zhǔn)晶具有晶體結(jié)構(gòu)中所不具備的某些獨(dú)特的物理性質(zhì)，比如旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。把準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)應(yīng)用到光子晶體領(lǐng)域，產(chǎn)生了一種新的光子學(xué)微結(jié)構(gòu)，叫做光子準(zhǔn)晶。由于準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)存在高度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，所以相比于以往的周期性光子晶體，光子準(zhǔn)晶易于呈現(xiàn)出各向同性的光子帶隙特征。因此光子準(zhǔn)晶是一種更具應(yīng)用前景的光子微結(jié)構(gòu)。
[0004]大面積的光子微結(jié)構(gòu)在光通信、光網(wǎng)絡(luò)、光計(jì)算和集成光學(xué)中具有重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的制作光子微結(jié)構(gòu)的方法，如:離子交換、離子束注入、刻蝕以及薄膜沉積等存在設(shè)備復(fù)雜，工藝復(fù)雜、成本昂貴，生產(chǎn)效率較低的缺點(diǎn)，限制了光子微結(jié)構(gòu)的實(shí)用化。光誘導(dǎo)技術(shù)是一種結(jié)合了多束相干光的干涉特性和光折變材料的激光敏感特性的方法，常用來制作光折變光子晶格。光折變光子晶格也是一種光子學(xué)微結(jié)構(gòu)，屬于光子晶體的范疇。通過不同數(shù)目的激光束干涉并輻照光折變材料，可以在光折變材料內(nèi)部形成各種各樣的周期和準(zhǔn)周期的微結(jié)構(gòu)。光折變光子晶格的制作工藝簡(jiǎn)單，涉及的設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，且制作的微結(jié)構(gòu)具有較長(zhǎng)的暗存儲(chǔ)時(shí)間、光折變材料本身可循環(huán)使用。因此，光折變光子晶格具有很高的研宄價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]光折變材料中制作的光子微結(jié)構(gòu)的面積取決于光折變材料被激光束輻照的面積。當(dāng)發(fā)生干涉的激光束具有較大的面積時(shí)，光折變材料的輻照面積也會(huì)比較大，這樣就能夠制作出大面積的光折變光子晶格微結(jié)構(gòu)。然而，若使用傳統(tǒng)的干涉方法來制作光折變光子晶格微結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要使三個(gè)以上的寬相干光束產(chǎn)生干涉時(shí)，所需光路比較復(fù)雜，難以調(diào)節(jié)；尤其是在制作光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的增加，需要更多的光束來產(chǎn)生干涉，這對(duì)于傳統(tǒng)的干涉方法來說是難以實(shí)現(xiàn)的。于是掩膜板方法以其極其簡(jiǎn)單的光路取代了傳統(tǒng)干涉方法，制作出了光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的光子晶格微結(jié)構(gòu)。然而掩膜板方法中細(xì)窄的光束也決定了制作出的結(jié)構(gòu)面積較小、晶格周期數(shù)較少，不利于光子微結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0006]因此，針對(duì)現(xiàn)有的光子微結(jié)構(gòu)制備方法中存在的生產(chǎn)效率較低，或者制作面積小的缺點(diǎn)，市場(chǎng)上亟需一種能夠制作大面積的二維光子微結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單方法以及結(jié)構(gòu)靈活、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)的制作多種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提出了一種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置，包括:激光器、空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、多光楔棱鏡和載物單元；其中，所述載物單元上設(shè)置有感光材料；所述激光器、所述空間濾波器、所述準(zhǔn)直透鏡、所述多光楔棱鏡和所述感光材料依次設(shè)置在同一光軸上；所述激光器用于產(chǎn)生激光束；所述空間濾波器用于對(duì)所述激光束進(jìn)行濾波與擴(kuò)束；所述準(zhǔn)直透鏡用于對(duì)濾波與擴(kuò)束后的所述激光束進(jìn)行準(zhǔn)直；所述多光楔棱鏡用于將準(zhǔn)直后的所述激光束轉(zhuǎn)換為多個(gè)大面積相干光束并使之發(fā)生干涉，產(chǎn)生大面積干涉圖案；所述大面積干涉圖案投射到所述感光材料上，在所述感光材料內(nèi)形成大面積二維光子微結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明提出的大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置中，所述多光楔棱鏡為多個(gè)光楔組成的光學(xué)棱鏡。
[0009]本發(fā)明提出的大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置中，所述光楔具有相同的楔角。
[0010]本發(fā)明提出的大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置中，所述感光材料為光折變晶體、光刻膠、照相底片或全息干板。
[0011]本發(fā)明提出的大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置中，所述載物單元設(shè)置在所述多個(gè)寬相干光束的干涉疊加區(qū)域。
[0012]本發(fā)明還提出了一種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作方法，其包括以下步驟:
[0013]步驟一:激光器發(fā)射激光束；
[0014]步驟二:所述激光束通過空間濾波器進(jìn)行濾波與擴(kuò)束；
[0015]步驟三:通過準(zhǔn)直透鏡對(duì)濾波與擴(kuò)束后的所述激光束進(jìn)行準(zhǔn)直；
[0016]步驟四:準(zhǔn)直后的所述激光束通過多光楔棱鏡轉(zhuǎn)換為多個(gè)大面積相干光束，并使所述大面積相干光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并疊加，在疊加區(qū)域發(fā)生干涉形成大面積的干涉圖案；
[0017]步驟五:將所述干涉圖案投射到感光材料上，在所述感光材料內(nèi)形成大面積二維光子微結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明的有益效果包括:
[0019]1、本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜的調(diào)節(jié)裝置，僅用單個(gè)多光楔棱鏡就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)寬相干光束的干涉，制作出大面積的二維光子微結(jié)構(gòu)，且裝置穩(wěn)定性強(qiáng)，抗機(jī)械振動(dòng)效果好。
[0020]2、本發(fā)明中多光楔棱鏡容易加工，無需昂貴的專門儀器，降低了制作成本。
[0021]3、本發(fā)明的裝置能夠用來制作多種大面積的周期、準(zhǔn)周期的光子微結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整多光楔棱鏡楔角的角度，可以制作出不同周期尺度的大面積光子微結(jié)構(gòu)。
[0022]4、由于多光楔棱鏡具有較大的透光面積，所以參與干涉的光束尺寸也較寬，能得到大面積的干涉圖案，在感光材料中制作出與干涉面積大小相近的大面積光子微結(jié)構(gòu)，大大提高了制作效率。以三個(gè)光楔組成的三光楔棱鏡為例，當(dāng)三光楔棱鏡的直徑為4cm時(shí)，其干涉面積的典型值為2.442cm2，在一個(gè)維度上(以10 μ m的三角晶格邊長(zhǎng)為晶格常數(shù))的周期數(shù)目大于1500、制作的結(jié)構(gòu)單元總數(shù)大于5.5X106。特別是:光子微結(jié)構(gòu)的面積可以隨著多光楔棱鏡直徑的增大而增大。
[0023]5、本發(fā)明的裝置適用于多種光子微結(jié)構(gòu)材料的制作，可以用其他的光敏介質(zhì)代替本裝置中的光折變晶體，制作出各種材質(zhì)的光子微結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明制作裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明制作方法的流程圖。
[0026]圖3a為本發(fā)明中三光楔棱鏡的正面圖。
[0027]圖3b為本發(fā)明中三光楔棱鏡的側(cè)面圖。
[0028]圖4為多光楔棱鏡的楔角與產(chǎn)生的寬相干光束的偏轉(zhuǎn)角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
[0029]圖5為在光折變晶體中制作的大面積二維三角晶格微結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0030]圖5右下角的插圖為大面積二維三角晶格微結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖。
[0031]圖6a為本發(fā)明中四光楔棱鏡的正面圖。
[0032]圖6b為在光折變晶體中制作的大面積二維四方晶格微結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0033]圖6b右下角的插圖為大面積二維四方晶格微結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖。
[0034]圖7a為本發(fā)明中五光楔棱鏡的不意圖。
[0035]圖7b為在光折變晶體中制作的大面積二維準(zhǔn)晶微結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0036]圖7b右下角的插圖為大面積二維準(zhǔn)晶微結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖。
[0037]圖8a為探測(cè)光束側(cè)面入射大面積二維四方晶格微結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0038]圖Sb為探測(cè)光以不同入射角度入射大面積二維四方晶格微結(jié)構(gòu)的布拉格衍射圖案。
【具體實(shí)施方式】
[0039]結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施本發(fā)明的過程、條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識(shí)和公知常識(shí)，本發(fā)明沒有特別限制內(nèi)容。
[0040]本發(fā)明中，1-激光器，2-空間濾波器，3-準(zhǔn)直透鏡，4-多光楔棱鏡，5-載物單元，51-感光材料。
[0041]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作裝置，其包括設(shè)置在同一光軸上的激光器1、空間濾波器2、準(zhǔn)直透鏡3、多光楔棱鏡4和載物單兀5。其中，激光器I用于產(chǎn)生激光束。空間濾波器2用于對(duì)激光束進(jìn)行濾波與擴(kuò)束。準(zhǔn)直透鏡3用于對(duì)激光束進(jìn)行準(zhǔn)直。多光楔棱鏡4用于將激光束轉(zhuǎn)換為多個(gè)寬相干光束，并使這些寬相干光束的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)后疊加，在疊加區(qū)域形成大面積的干涉圖案。載物單元5用于放置感光材料51，當(dāng)大面積干涉圖案被投射到感光材料51上，可以在感光材料51內(nèi)形成大面積二維光子微結(jié)構(gòu)。
[0042]本發(fā)明中，多光楔棱鏡4是由多個(gè)光楔組成的具有多個(gè)楔角的光學(xué)棱鏡，所述光楔具有相同的楔角。
[0043]本發(fā)明中，感光材料51可以為光折變晶體、光刻膠、照相底片或全息干板等。
[0044]基于以上裝置，本發(fā)明還提出了一種大面積二維光子微結(jié)構(gòu)的制作方法，如圖2所示，其包括以下步驟:
[0045]步驟一:激光器發(fā)射激光束；
[0046]