有缺陷準晶光子晶體的制作方法及其裝置制造方法
【專利摘要】一種有缺陷準晶光子晶體的制作方法，先將激光器輸出的激光分束，一束激光經擴束系統和無頂單折射棱鏡后，形成多光束干涉場；另一束激光經多次反射后由透鏡會聚到干涉場中；在干涉場區域放置全息記錄材料，經曝光和材料處理后，得到有缺陷的準晶光子晶體。本發明結構簡單，準晶缺陷的類型和尺寸可以有目的地進行設計和制作，準晶的結構改變可以通過棱鏡的結構來控制。在干涉區域放置光敏材料，經曝光和處理后，即可得到二維或三維的有缺陷準晶光子晶體波導或微腔結構。該結構也可作為模版被轉移到其它折射率的材料上，形成不同折射率對比度（與帶隙有關）的準晶波導或微腔結構。
【專利說明】有缺陷準晶光子晶體的制作方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有缺陷準晶光子晶體的制作方法和裝置，所制作的結構包括線缺陷準晶波導結構及點缺陷微腔準晶結構，根據棱鏡棱數的不同，所制作準晶的旋轉對稱重數也不同。
【背景技術】
[0002]準晶是一種介于晶體和非晶體之間的固體，是具有旋轉對稱性、長程指向性但不具有平移周期性的晶體。根據經典的晶體限制理論，晶體只具有2次、3次、4次和6次對稱性，而準晶是原子排列存在5次對稱和6次以上對稱軸的一種特殊晶體。準晶光子晶體則是由電介質構成的介觀尺度的準晶結構，其特征尺寸在電磁波波長量級，并且具有光子帶隙。準晶光子晶體的特殊結構使其具有完全光子帶隙的折射率閾值低、光子帶隙與方向無關、缺陷模更為豐富等優良性能，這使其比周期光子晶體具有更廣闊的應用前景。在準晶光子晶體中合理地引入缺陷就能產生局域缺陷模，準晶的缺陷模不僅與缺陷的類型和介質構成有關，而且與缺陷的位置有著密切的關系，這使得有缺陷準晶在上/下載濾波器、直角或彎曲波導、極低閾值微腔激光器以及光孤子的應用等方面具有更大的優勢。
[0003]周期光子晶體的制作方法有很多種，如打孔法、堆積法、膠體自組裝法、電子束或粒子束刻蝕法等。但是與周期光子晶體不同的是，準晶不具有平移周期性，用這些傳統的精密加工微制作技術制作準晶過程相當的繁雜、耗時，尤其是制作百納米尺度的準晶結構更是幾乎不可能。本 申請人:在實用新型專利201020684352.0中提出一種用單折射棱鏡制作光子晶體的方法，裝置簡單、重復性好，而且能實現大面積的結構制作。該方法的缺點是不能有目的的實現線缺陷波導和點缺陷微腔的制作。就文獻調研來看，到目前為止，缺陷準晶的研究工作基本上集中在理論模擬方面，實驗制作方面的研究工作在國內外鮮有報道。
【發明內容】
[0004]本發明旨在提供一種有缺陷準晶光子晶體的大面積制作方法和制作裝置。本裝置通過單折射棱鏡進行多光束的分束、合束干涉作用，形成準周期結構的干涉場，從而得到準晶光子晶體結構；在此結構上，通過柱透鏡和球透鏡的會聚作用分別制作線缺陷波導和點缺陷微腔結構。
[0005]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種有缺陷準晶光子晶體的制作方法，先將激光器輸出的激光分束，一束激光經擴束系統和無頂單折射棱鏡后，形成多光束干涉場；另一束激光經多次反射后由透鏡會聚到干涉場中；在干涉場區域放置全息記錄材料，經曝光和材料處理后，得到有缺陷的準晶光子晶體。
[0006]有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，它包括激光器，激光器輸出的激光分為兩束；一束激光依次經過擴束濾波器和準直透鏡投射到無頂單折射棱鏡上，在無頂單折射棱鏡出射端產生多光束干涉場，光敏記錄板位于干涉場區域內；另一束激光經過若干個反射鏡反射后，再經過透鏡投射到光敏記錄板上。
[0007]所述的透鏡為球透鏡或柱透鏡。
[0008]所述的光敏記錄板為光抗材料板或銀鹽干版或聚合物分散液晶材料版。
[0009]所述的無頂單折射棱鏡為無頂五角棱鏡或六角以上棱鏡，且無頂單折射棱鏡上下底面面積不等、各側面面積相同、且側面與底面形成的夾角相同。
[0010]所述的無頂單折射棱鏡為高透明度的玻璃棱鏡或石英棱鏡。
[0011]采用上述技術方案的本發明，結構非常簡單，準晶缺陷的類型和尺寸可以有目的地進行設計和制作，準晶的結構改變可以通過棱鏡的結構來控制。干涉場包括二維和三維的準周期光強分布。在干涉區域放置光敏材料，經曝光和處理后，即可得到二維或三維的有缺陷準晶光子晶體波導或微腔結構。該結構也可作為模版被轉移到其它折射率的材料上，形成不同折射率對比度(與帶隙有關)的準晶波導或微腔結構。本發明大大簡化了準晶的制作過程、實現了大面積一步快速制作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為制備有缺陷準晶光子晶體的裝置結構示意圖。
[0013]圖2為無頂單五角棱鏡結構示意圖
圖3為無頂單五角棱鏡多光束干涉方向示意圖。
[0014]圖4利用所設計的無頂五角棱鏡，其側面五束光干涉所得到的準晶結構圖
圖5利用所設計的無頂五角棱鏡，其側面五束光干涉所得到的準晶結構圖，主光束的偏振方向分別為0°、30°、45°和90°。
[0015]圖6利用所設計的無頂五角棱鏡，其側面五束光位相不同時干涉所得到的準晶結構圖。
[0016]圖7利用所設計的無頂五角棱鏡，材料曝光閾值不同時其側面五束光干涉所得到的準晶結構圖，其中a、b、c、d四幅圖的曝光閾值分別是0、0.4,0.6和0.7。
[0017]圖8利用所設計的無頂五角棱鏡(I)和柱透鏡系統(2)，側面五束光干涉時得到的線缺陷準晶波導結構。
[0018]圖9利用所設計的無頂五角棱鏡(I)和球透鏡系統(2)，側面五束光干涉時得到的點缺陷準晶微腔結構。
【具體實施方式】
[0019]一種有缺陷準晶光子晶體的制作方法，激光器I輸出波長對光敏記錄板5敏感的激光，如355nm、532nm或633nm，將激光器輸出的激光分成兩束，一束激光經擴束系統擴束及濾波后，由準直透鏡3進行準直，擴束后的平行光束入射到無頂單折射棱鏡上，形成多光束干涉場；另一束激光經多次反射后由透鏡會聚到干涉場中；在干涉場區域放置全息記錄材料，經曝光和材料處理后，得到有缺陷的準晶光子晶體，準晶的對稱性和周期由棱鏡的結構決定，缺陷的類型由透鏡的種類決定。
[0020]如圖1所示，為了制備有缺陷準晶光子晶體結構，本發明給出一種有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，它包括激光器1，激光器I輸出的激光分為兩束；一束激光依次經過擴束濾波器2和準直透鏡3投射到無頂單折射棱鏡4上，在無頂單折射棱鏡4出射端產生多光束干涉場，光敏記錄板5位于干涉場區域內；另一束激光經過若干個反射鏡7反射后，再經過透鏡8投射到光敏記錄板5上。上述的光敏記錄板為光抗材料板或銀鹽干版或聚合物分散液晶材料版。
[0021]如圖2所示，無頂五角棱鏡是由兩個面積不等的上、下底面41和五個側面42組成，五個側面42面積相同，且五個側面42與底面41夾角相同，它們對稱分布在棱鏡周圍。一束光透過棱鏡之后由于棱鏡的折射作用變為六束一中心光束和對稱的五束側面光(相鄰側面光之間的平面夾角為72°)，六束光干涉形成十重旋轉對稱的三維準晶光子晶體干涉圖案，遮擋中心光束即可得到相應的二維準晶結構圖案。準晶結構相對于對稱的光子晶體結構具有更大的光子帶隙，而且更容易產生光子帶隙。另一束光經反射鏡7改變方向后，入射到透鏡8上，光束經透鏡8會聚為點光源(8為球透鏡)或線光源(8為柱透鏡)。在產生干涉圖案和會聚光源的區域放置感光層比較厚(幾微米甚至幾十微米)的光敏介質板5，經過曝光及處理后，即制作成與干涉場周期分布相應的、有點缺陷或線缺陷的、二維或三維準晶光子晶體結構。曝光與處理方法由所用的感光材料決定。周期是由任意側面出射光束與中心光束的夾角φ決定。
[0022]無頂單折射棱鏡4所用材料為高透明度的玻璃和石英，如果所用波長為紫外波段的355nm,則必須選擇石英材料,如果是可見光波段的532nm或633nm,就可以用透射度好的
玻璃材料來磨制。決定準晶周期的角度Cp是由棱鏡底面與側面的夾角Ot來決定的，所以要
根據所需要的準晶結構來設計棱鏡側面與底面的夾角。由于準晶是具有長程指向性而不具有周期性的結構，所以它的周期與傳統的周期光子晶體不同。如圖4所示，為側面五束光干涉形成的準晶結構，它是由邊長相同、角度分別為36°，144°和72°，108°的兩種菱形的頂點所構成的，菱形的邊長即為準晶的周期。圖中用實線標出了十重對稱準晶的基本構成單元。角度φ、準晶的周期與夾角α有如下的關系:
【權利要求】
1.一種有缺陷準晶光子晶體的制作方法，其特征在于:先將激光器(I)輸出的激光分束，一束激光經擴束系統和無頂單折射棱鏡后，形成多光束干涉場；另一束激光經多次反射后由透鏡會聚到干涉場中；在干涉場區域放置全息記錄材料，經曝光和材料處理后，得到有缺陷的準晶光子晶體。
2.實施權利要求1所述方法的有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，其特征在于:它包括激光器(I )，激光器(I)輸出的激光分為兩束；一束激光依次經過擴束濾波器(2)和準直透鏡(3)投射到無頂單折射棱鏡(4)上，在無頂單折射棱鏡(4)出射端產生多光束干涉場，光敏記錄板(5)位于干涉場區域內；另一束激光經過若干個反射鏡(7)反射后，再經過透鏡(8)投射到光敏記錄板(5)上。
3.根據權利要求2所述的有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，其特征在于:所述的透鏡(8)為球透鏡或柱透鏡。
4.根據權利要求2所述的有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，其特征在于:所述的光敏記錄板為光抗材料板或銀鹽干版或聚合物分散液晶材料版。
5.根據權利要求2所述的有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，其特征在于:所述的無頂單折射棱鏡(4)為無頂五角棱鏡或六角以上棱鏡，且無頂單折射棱鏡上下底面面積不等、各側面面積相同、且側面與底面形成的夾角相同。
6.根據權利要求5所述的有缺陷準晶光子晶體的制作裝置，其特征在于:所述的無頂單折射棱鏡(4 )為高透明度的玻璃棱鏡或石英棱鏡。
【文檔編號】G02B27/09GK103513556SQ201210214219
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月27日 優先權日:2012年6月27日
【發明者】孫曉紅 申請人:鄭州大學