CN103513556B - 有缺陷准晶光子晶体的制作方法及其装置 - Google Patents

有缺陷准晶光子晶体的制作方法及其装置 Download PDF

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一种有缺陷准晶光子晶体的制作方法，先将激光器输出的激光分束，一束激光经扩束***和无顶单折射棱镜后，形成多光束干涉场；另一束激光经多次反射后由透镜会聚到干涉场中；在干涉场区域放置全息记录材料，经曝光和材料处理后，得到有缺陷的准晶光子晶体。本发明结构简单，准晶缺陷的类型和尺寸可以有目的地进行设计和制作，准晶的结构改变可以通过棱镜的结构来控制。在干涉区域放置光敏材料，经曝光和处理后，即可得到二维或三维的有缺陷准晶光子晶体波导或微腔结构。该结构也可作为模版被转移到其它折射率的材料上，形成不同折射率对比度（与带隙有关）的准晶波导或微腔结构。

Description

有缺陷准晶光子晶体的制作方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种有缺陷准晶光子晶体的制作方法和装置，所制作的结构包括线缺陷准晶波导结构及点缺陷微腔准晶结构，根据棱镜棱数的不同，所制作准晶的旋转对称重数也不同。
背景技术
准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体，是具有旋转对称性、长程指向性但不具有平移周期性的晶体。根据经典的晶体限制理论，晶体只具有2次、3次、4次和6次对称性，而准晶是原子排列存在5次对称和6次以上对称轴的一种特殊晶体。准晶光子晶体则是由电介质构成的介观尺度的准晶结构，其特征尺寸在电磁波波长量级，并且具有光子带隙。准晶光子晶体的特殊结构使其具有完全光子带隙的折射率阈值低、光子带隙与方向无关、缺陷模更为丰富等优良性能，这使其比周期光子晶体具有更广阔的应用前景。在准晶光子晶体中合理地引入缺陷就能产生局域缺陷模，准晶的缺陷模不仅与缺陷的类型和介质构成有关，而且与缺陷的位置有着密切的关系，这使得有缺陷准晶在上/下载滤波器、直角或弯曲波导、极低阈值微腔激光器以及光孤子的应用等方面具有更大的优势。
周期光子晶体的制作方法有很多种，如打孔法、堆积法、胶体自组装法、电子束或粒子束刻蚀法等。但是与周期光子晶体不同的是，准晶不具有平移周期性，用这些传统的精密加工微制作技术制作准晶过程相当的繁杂、耗时，尤其是制作百纳米尺度的准晶结构更是几乎不可能。本申请人在实用新型专利201020684352.0中提出一种用单折射棱镜制作光子晶体的方法，装置简单、重复性好，而且能实现大面积的结构制作。该方法的缺点是不能有目的的实现线缺陷波导和点缺陷微腔的制作。就文献调研来看，到目前为止，缺陷准晶的研究工作基本上集中在理论模拟方面，实验制作方面的研究工作在国内外鲜有报道。
发明内容
本发明旨在提供一种有缺陷准晶光子晶体的大面积制作方法和制作装置。本装置通过单折射棱镜进行多光束的分束、合束干涉作用，形成准周期结构的干涉场，从而得到准晶光子晶体结构；在此结构上，通过柱透镜和球透镜的会聚作用分别制作线缺陷波导和点缺陷微腔结构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种有缺陷准晶光子晶体的制作方法，先将激光器输出的激光分束，一束激光经扩束***和无顶单折射棱镜后，形成多光束干涉场；另一束激光经多次反射后由透镜会聚到干涉场中；在干涉场区域放置全息记录材料，经曝光和材料处理后，得到有缺陷的准晶光子晶体。
有缺陷准晶光子晶体的制作装置，它包括激光器，激光器输出的激光分为两束；一束激光依次经过扩束滤波器和准直透镜投射到无顶单折射棱镜上，在无顶单折射棱镜出射端产生多光束干涉场，光敏记录板位于干涉场区域内；另一束激光经过若干个反射镜反射后，再经过透镜投射到光敏记录板上。
所述的透镜为球透镜或柱透镜。
所述的光敏记录板为光抗材料板或银盐干版或聚合物分散液晶材料版。
所述的无顶单折射棱镜为无顶五角棱镜或六角以上棱镜，且无顶单折射棱镜上下底面面积不等、各侧面面积相同、且侧面与底面形成的夹角相同。
所述的无顶单折射棱镜为高透明度的玻璃棱镜或石英棱镜。
采用上述技术方案的本发明，结构非常简单，准晶缺陷的类型和尺寸可以有目的地进行设计和制作，准晶的结构改变可以通过棱镜的结构来控制。干涉场包括二维和三维的准周期光强分布。在干涉区域放置光敏材料，经曝光和处理后，即可得到二维或三维的有缺陷准晶光子晶体波导或微腔结构。该结构也可作为模版被转移到其它折射率的材料上，形成不同折射率对比度（与带隙有关）的准晶波导或微腔结构。本发明大大简化了准晶的制作过程、实现了大面积一步快速制作。
附图说明
图1为制备有缺陷准晶光子晶体的装置结构示意图。
图2为无顶单五角棱镜结构示意图
图3为无顶单五角棱镜多光束干涉方向示意图。
图4利用所设计的无顶五角棱镜，其侧面五束光干涉所得到的准晶结构图
图5利用所设计的无顶五角棱镜，其侧面五束光干涉所得到的准晶结构图，主光束的偏振方向分别为00、300、450和900。
图6利用所设计的无顶五角棱镜，其侧面五束光位相不同时干涉所得到的准晶结构图。
图7利用所设计的无顶五角棱镜，材料曝光阈值不同时其侧面五束光干涉所得到的准晶结构图，其中a、b、c、d四幅图的曝光阈值分别是0、0.4、0.6和0.7。
图8利用所设计的无顶五角棱镜（1）和柱透镜***（2），侧面五束光干涉时得到的线缺陷准晶波导结构。
图9利用所设计的无顶五角棱镜（1）和球透镜***（2），侧面五束光干涉时得到的点缺陷准晶微腔结构。
具体实施方式
一种有缺陷准晶光子晶体的制作方法，激光器1输出波长对光敏记录板5敏感的激光，如355nm、532nm或633nm，将激光器输出的激光分成两束，一束激光经扩束***扩束及滤波后，由准直透镜3进行准直，扩束后的平行光束入射到无顶单折射棱镜上，形成多光束干涉场；另一束激光经多次反射后由透镜会聚到干涉场中；在干涉场区域放置全息记录材料，经曝光和材料处理后，得到有缺陷的准晶光子晶体，准晶的对称性和周期由棱镜的结构决定，缺陷的类型由透镜的种类决定。
如图1所示，为了制备有缺陷准晶光子晶体结构，本发明给出一种有缺陷准晶光子晶体的制作装置，它包括激光器1，激光器1输出的激光分为两束；一束激光依次经过扩束滤波器2和准直透镜3投射到无顶单折射棱镜4上，在无顶单折射棱镜4出射端产生多光束干涉场，光敏记录板5位于干涉场区域内；另一束激光经过若干个反射镜7反射后，再经过透镜8投射到光敏记录板5上。上述的光敏记录板为光抗材料板或银盐干版或聚合物分散液晶材料版。
如图2所示，无顶五角棱镜是由两个面积不等的上、下底面41和五个侧面42组成，五个侧面42面积相同，且五个侧面42与底面41夹角相同，它们对称分布在棱镜周围。一束光透过棱镜之后由于棱镜的折射作用变为六束—中心光束和对称的五束侧面光（相邻侧面光之间的平面夹角为720），六束光干涉形成十重旋转对称的三维准晶光子晶体干涉图案，遮挡中心光束即可得到相应的二维准晶结构图案。准晶结构相对于对称的光子晶体结构具有更大的光子带隙，而且更容易产生光子带隙。另一束光经反射镜7改变方向后，入射到透镜8上，光束经透镜8会聚为点光源（8为球透镜）或线光源（8为柱透镜）。在产生干涉图案和会聚光源的区域放置感光层比较厚（几微米甚至几十微米）的光敏介质板5，经过曝光及处理后，即制作成与干涉场周期分布相应的、有点缺陷或线缺陷的、二维或三维准晶光子晶体结构。曝光与处理方法由所用的感光材料决定。周期是由任意侧面出射光束与中心光束的夹角决定。
无顶单折射棱镜4所用材料为高透明度的玻璃和石英，如果所用波长为紫外波段的355nm，则必须选择石英材料，如果是可见光波段的532nm或633nm，就可以用透射度好的玻璃材料来磨制。决定准晶周期的角度是由棱镜底面与侧面的夹角来决定的，所以要根据所需要的准晶结构来设计棱镜侧面与底面的夹角。由于准晶是具有长程指向性而不具有周期性的结构，所以它的周期与传统的周期光子晶体不同。如图4所示，为侧面五束光干涉形成的准晶结构，它是由边长相同、角度分别为360，1440和720，1080的两种菱形的顶点所构成的，菱形的边长即为准晶的周期。图中用实线标出了十重对称准晶的基本构成单元。角度、准晶的周期与夹角有如下的关系：
其中，λ为入射光在真空中波长，nw为棱镜在入射光波长的折射率。
图4是利用无顶五角棱镜多光束干涉得到的准晶光子晶体结构，该棱镜侧面与底面夹角α=66°。图5利用所设计的无顶五角棱镜，其侧面五束光干涉所得到的准晶结构图，主光束的偏振方向分别为00、300、450和900。图6利用所设计的无顶五角棱镜，其侧面五束光位相不同时干涉所得到的准晶结构图。图7利用所设计的无顶五角棱镜，材料曝光阈值不同时，其侧面五束光干涉所得到的准晶结构图。图8利用所设计的无顶五角棱镜和柱透镜***，侧面五束光干涉时得到的线缺陷准晶波导结构。图9利用所设计的无顶五角棱镜和球透镜***，侧面五束光干涉时得到的点缺陷准晶微腔结构。

Claims (4)

1.一种有缺陷准晶光子晶体的制作装置，其特征在于：它包括
激光器（1），激光器（1）输出的激光分为两束；一束激光依次经过扩束滤波器（2）和准直透镜（3）投射到无顶单折射棱镜（4）上，在无顶单折射棱镜（4）出射端产生多光束干涉场，光敏记录板（5）位于干涉场区域内；另一束激光经过若干个反射镜（7）反射后，再经过球透镜或柱透镜投射到光敏记录板（5）上，经曝光和材料处理后，通过柱透镜和球透镜的会聚作用分别制作线缺陷波导和点缺陷微腔结构，得到有缺陷的准晶光子晶体。
2.根据权利要求1所述的有缺陷准晶光子晶体的制作装置，其特征在于：所述的光敏记录板为光抗材料板或银盐干板或聚合物分散液晶材料板。
3.根据权利要求1所述的有缺陷准晶光子晶体的制作装置，其特征在于：所述的无顶单折射棱镜（4）为无顶五角棱镜或六角以上棱镜，且无顶单折射棱镜上下底面面积不等、各侧面面积相同、且侧面与底面形成的夹角相同。
4.根据权利要求1所述的有缺陷准晶光子晶体的制作装置，其特征在于：所述的无顶单折射棱镜（4）为高透明度的玻璃棱镜或石英棱镜。
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