激光全息干涉技术制备二维光学晶格的研究详解

青岛科技大学本科毕业（论文）11.光子晶体1.1光子晶体的历史与发展1987年，一个新的概念，光子晶体的概念，震动了世界。1991年，这个概念成为现实，世界上第一块完全禁带光子晶体诞生了。它是在一块陶瓷材料上钻三组交叉的孔阵列成的，每列的孔都与页面垂直方向成35°角，这种结构被称为Yablonovitch结构[1]。这种6mm直径的孔阵列，可以阻碍13～16GHz的无线电波通过。早期，光子晶体的工作频率多数落在微波波段。近年来，其工作波段推进到红外甚至可见光波段。一般来说，工作波长越短，三维光子晶体的制造越困难，而二维光子晶体的制备则容易得多。MIT的Johnson[2-3]等人提出了光子晶体平板的结构，即有限厚度的二维光子晶体，在二维周期平面内利用光子禁带来限制光子运动，而在厚度方向则利用折射率波导效应来限制光子运动．从平面集成技术考虑，光子晶体平板结构有比较大的应用前景。光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质，例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射，等等。它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来；也可以使自发辐射的光以单波长输出。这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的使用价值，因而在短短十余年时间内，收到了物理、材料等领域的学者的广泛关注。光子晶体使人类自如地控制光的流动的梦想即将成真，具有极其巨大的应用价值和极其广阔的应用前景。光子晶体正处于蓬勃发展期，其未来充满挑战和希望。1.2光子晶体的原理光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的，因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识。对于晶体我们可以看到原子是周期性有序排列的，正是这种周期性的排列，才在晶体之中产生了周期性的势场。这种周期性的势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，电磁波只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙，能量落在带隙中的波也同样不能传播。由此我们知道在离子晶体中，离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子(半导体中的电子或者空穴)在半导体中的运动。与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(BandGap)，类似于半导体中的禁带，也可以理解为光受到了布拉格散射而引起的。而周期的大小不同，导致了特定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，可以将发光层置于光子晶体之中，使其发光波长恰好落于光子晶体激光全息干涉技术制备二维光学晶格的研究2的禁带之中。由于这些波长的光是禁止的，因而可以抑制发光层的自发辐射。而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态，因而这些对应的波长的光就能够产生，这可以用来制备面发射的激光器。1.3光子晶体的特性光子晶体是一种具有很广应用潜力的新颖结构，它具有许多特殊的性质，如光子带隙、光子局域、抑制自发辐射、双折射与负折射现象等。(1)光子带隙光子晶体的本质特征是具有光子带隙。光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体中的行为，通过独特的光子禁带可以改变光子的行为。在光子晶体中，真空波长与介质分布周期同量级的电磁波受到周期排列非均匀介质较强的散射（称为布拉格散射），使得光子晶体对该波长范围的电磁波呈现出类似半导体电子能带的电磁波能带结构和不同于均匀介质的电磁特性。当介质的介电常数差别较大时，每个周期单元内的非均匀介质对电磁波的强散射可能与布拉格散射相互耦合，使光子晶体出现带隙。光子带隙分为完全光子带隙和不完全光子带隙[4]。完全光子带隙是指，在某个频率范围内，所有偏振方向及传播方向的光都禁止传播，也就是在整个空间范围内所有方向上都存在能隙，并且每个方向上的能隙可以相互重叠；不完全光子带隙指只在某一特定传播方向上出现的带隙。光子带隙结构主要取决于光子晶体结构、晶格大小、嵌入电解质的形状、介电常数、占空比等。一般而言，结构对称性越差的光子晶体，能带简并度越低，越容易实现完全光子带隙；介电常数相差越大，也越能出现完全光子带隙[5-7]。图1-1光子带隙对自发辐射的影响(a)自由空间(b)光子晶体(c)缺陷态光子晶体[11]。Fig.1-1TherelationbetweenPBGandatomspontaneousradiation.(a)Freespace，(b)Inthephotoniccrystal，(c)Inthephotoniccrystalwithdefect.(2)光子局域光子晶体的另一个特征是光子局域。1987年，John指出，在一特定设计的由无序介电材料组成的超晶格（即光子晶体）中，光子呈现很强的Anderson局域[8]。类比于半导体掺杂，如果在光子晶体结构中添加或者去除某种物质，称为“施主”和“受主”型掺杂[9]，则在光子带隙周围的光子模式会重新排布，极大地加强或抑制光子晶体中活性介质的自发辐射青岛科技大学本科毕业（论文）3效率，明显改变其发射光谱，和缺陷频率相吻合的光子有可能被局域在缺陷位置[10]，一旦偏离此处，光将迅速减弱。图1-1是在掺杂的光子晶体中引入缺陷态，出现自发辐射显著增强的现象[11]。光子晶体中主要存在点缺陷、线缺陷和面缺陷三种缺陷模式。点缺陷类似于微腔结构，将光子俘获在特定位置；线缺陷类似于波导，允许光沿着特定方向通过；面缺陷类似于完美反射镜，光子被局域在整个缺陷平面内。在二维光子晶体中引入点缺陷可以形成具有高品质因子的微腔，在一定的泵浦激发下可以有效利用光子局域现象获得激光[12-13]；KBaumann在薄膜层上设计制作了多级二维光子晶体并研究了激光发射情况，实现了光子局域在激射中的应用[14]。1.4光子晶体的制备方法光子晶体在自然界是存在的，但这些都是粗糙的光子晶体，因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备。目前制作光子晶体的方法可以主要概括为以下几种：精密机械加工法：该方法制备二维光子晶体比三维光子晶体易制作，并已有很多有意义的结果。微波波段的光子晶体由于其晶格周期常数在厘米至毫米量级，制作起来比较容易，用机械方法就可实现。逐层叠加法(Layer-by—layer)：光子晶体构造方案中一个具有实用价值的是采用所谓的“逐层叠加(Layer—by-layer)”方法，即用许多二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体。原则上来说，这种layerbylayer技术为三维光子晶体的制造提供了一个可行的途径。这种方法虽然可得到高质量的拥有完全带隙的光子晶体，然而其制造工艺繁琐，造价相当昂贵，并且受半导体技术工艺的限制，当结构周期降到亚微米后，用此法制备光学波段的三维光子晶体仍存在很大的挑战。胶体颗粒自排或外力强迫排法：近年来所提出的这些新方案中还有一种工艺上很简单的可工作于短波长的胶体晶体。它是将直径在几十纳米到几百纳米的介质微粒均匀混入特殊溶液中而制锝的。它在红外波段到可见光波段可以产生光子频率禁带。自排法相对于机械微制作法的优点是：带隙位置可调范围广，带隙可依球的大小或制作反蛋白石来控制；介质材料的选择范围较宽；制作成本比较低廉；容易控制样品的厚度、面积。但它也有缺点，比如介质微粒因排列紧密丽占有过大的体积，从而使得禁带宽度较窄；还有介质的介电常数比值较小。激光直写技术：又叫做双光束聚合技术，利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要求的浮雕轮廓，激光直写技术的基本工作原理是由计算机控制高精度激光束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，从而把涉及图形直接转移刅掩模上。电子束直写技术：将衬底置于可以精确移动的平台上，通过电子束刻蚀对样品表面进行曝光，由于电子束在衬底表面聚焦范围非常小，可以实现精度在0.1-0.25μm的超微细加激光全息干涉技术制备二维光学晶格的研究4工。衬底上的图层在电子束的照射下发生聚合变化实现曝光，然后通过一系列的显影过程，除去刻蚀部分，获得样品结构。通过计算机控制，电子扫描速度、频率、扫描范围都可以改变，可以获得不同结构的光子晶体。该方法不用掩模板就可以直接刻蚀获得所需结构，而且还可以结合气相沉积技术制作反结构，获得折射率比较大的填充物质光子晶体。目前，使用该方法已经成功制备了不同结构的二维光子晶体和螺旋结构、木堆积结构等三维光子晶体。激光全息微制作：用多束相干光汇聚于一点，在会聚点就会形成空间周期变化的驻波图案。通过光与物质的相互作用，就可以形成介质折射率在空间周期变化的有序结构。改变光束波矢构形以及光束问的夹角。则干涉的空间图样也随之变化，从而将产生各种不同的对称结构。将是我们研究和实验的主要方法，我们将利用这种方法来完成周期为1.5um的光子晶体模板的制作。1.5光子晶体的研究意义及发展前景光子晶体的发展历史虽然只有短短十几年，但已经引起了学术界的广泛重视，许多科研工作者在光子晶体的理论研究和实际应用方面进行了大量的工作。随着多领域学科范围内对于光子晶体的青睐，在探索新材料、新方法、新结构的同时，人们开始考虑光子晶体的应用领域。较早的应用包括光波导、光开关、反棱镜、超棱镜等，如今很多高新科技领域也向光子晶体透出了橄榄枝，例如高灵敏传感器、可调制微透镜、太阳能电池研制、信息传递、显示技术领域等。光子晶体作为能够有效调控光子运动的新颖材料，在光子器件、集成光路等方面具有很大的应用潜力。光子晶体的出现是电磁波领域的一个重大突破，有望促进新世纪IT产业的发展。就像半导体材料的发展极大地推动了电子学和电子产业的发展一样，光子晶体的开发和研究也会极大地推动光子学和光子产业的发展，21世纪必将是光子时代。本论文的主要研究内容包括：第一章主要介绍光子晶体的发展、基本概念和特征，以及目前国内外对光子晶体研究进展，介绍光子晶体的人工制备方法尤其是本文中使用的激光全息光刻法，光子晶体在新一代通信领域和集成光路中的应用尤其是在激光发射方面的应用，提出本文的研究意义和文章内容。第二章简述激光全息干涉技术的发展、基本原理以及优缺点，介绍二维光学晶格的基本概念，理论分析多束光干涉图案的影响因素尤其是偏振。第三章设计完成制作二维光子晶体模板的光学系统的搭建，利用激光全息法依次制作不同周期的二维光子晶体模板，记录处理实验数据，根据实验结果分析影响光子晶体模板质量的因素。最后对本文研究工作进行总结，得出结论，并在前期研究的基础上对未来的工作进行计划和展望。青岛科技大学本科毕业（论文）52激光全息技术激光全息光刻技术具有制作成本低、制作周期短、高效快捷的优势，越来越多地应用在微结构的制备中。2.1激光全息理论的发展1948年，英国科学家Gabor发明了全息术，在短短半个世纪里激光全息技术的应用范围不断拓展，对相关技术和领域的影响越来越大，尤其是近年来随着激光全息技术与其他学科的综合运用，激光全息技术更是展现了它的巨大应用前景。激光全息术和双光子聚合技术相结合可以制作光子晶体，但早期在利用激光全息光刻技术进行微结构制作方面的工作进展较慢。1997年V.Berger[15]首次使用三束光在硅基底上制作了二维光子晶体随后激光全息光刻制备技术成为研究的热点，受到各国专家的重视。理论上已经证明，14种布拉维格子都可以通过四束光的全息干涉来实现，这其中也包括具有最宽禁带宽度的金刚石结构。德国Karsruhe大学、加拿大Toronto大学、牛津大学、剑桥大学等研究小组利用群论详细分析了所需光子禁带结构的光束的各个参数，对实验具有指导作用。由于对每一个光束都作出调节非常及更多束光相干涉以制备三维光子晶体的实验报道。在全息光刻法中，调节各光束的入射角不方便，所以有一些相对简便的方法被广发应用：利用相位