（光学专业论文）光子晶体模板的激光全息制作技术的理论与实验研究.pdf

摘要 光子晶体模板的激光全息制作技术 的理论与实验研究 专业：光学 博士生：钟永春 导师：汪河洲教授 摘要 光子晶体是介电常数在波长尺度上成周期分布的微结构材料。光在周期 结构中的多重散射使得光子晶体可以打开光予带隙。在光子带隙内不存在任 何电磁波传播的摸式，从而显著地改变了光与物质相互作用的方式。由于光 子晶体的巨大潜在应用价值，设计和制作可见光和近红外波段的完全带隙光 子晶体成为近十年科学来研究的热点之一。 在制备复杂三维光子晶体方法中，相对于其它制作方法，例如化学汽相 沉积、半导体微加工和自组织生长，激光全息制作方法具有成本低，耗时短， 方便制作和有效等优点。本论文运用激光全息技术并结合平面波计算方法， 在实验和理论上系统地研究了如何使用伞形配置的多激光束形成具有宽完全 带隙的光子晶体，主要研究成果包括： 1 理论上研究了面心立方结构中对称性对光子频带的影响，发现对称性 的破坏对低频带的完全带隙形成有重要作用。还系统研究了椭球形格 点f c c 结构的带隙情况，结果表明主长轴在( 1 1 1 ) 方向附近的椭球 形格点f c c 结构在2 、3 能带之间存在比较大的完全带隙。当折射率 比值为3 4 ：l 时，完全带隙宽度与带隙中心频率的比值最大可以达到 摘要 9 o 。从而为用全息法和自排法制作完全带隙光子晶体提供了理论 指导。 2 通过引入相位移动和偏振优化的概念成功地制作出一种新的类金刚 石结构光子晶体模板，理论计算表明该结构的反o p a l 光子晶体在2 、 3 能带之间出现与反o p a l 金刚石结构相类似的完全光子带隙。不仅 该结构的完全带隙出现的折射率闽值仅为2 0 5 ：l ：而且与f c c 结构 相比，其带隙在更低的频带之间，在折射率比值为3 4 ：1 时，其带隙 宽度达到1 6 9 ，是反o p a lf c c 结构的3 倍。与当今所提出的还没 被实验证实的全息制作金刚石结构的方法相比，类金刚石结构的制作 方法要容易实现得多。 3 通过引入匹配棱镜的方法，实现了利用同一光路配置，制作光学晶格 相同、任意晶面取向的光子晶体模板。使用这种方法成功的制作出了 具有( 1 1 1 ) 、( 1 1 4 ) 、( 1 l o ) 等不同晶面取向的大面积类金刚石结构光 子晶体模板。不但为更全面研究光子晶体的性质奠定了基础，还能充 分利用光予晶体的不同表面取向来提高它的负折射等效应和从均匀 介质进入光子晶体的耦合效率，为三维全息制作光子晶体走向实用提 供了制作方案。 4 结合二次曝光和相位移动技术，提出了用激光全息法制作具有复式光 学晶格的光子晶体模板的新方法。并使用这种方法提出了制作具有宽 完全带隙的二维六角复式格子和金刚石结构三维光子晶体的方案。这 种方法具有使用同一光路配置和曝光过程不改变感光样品位置等优 点。为制作更大完全带隙光子晶体提供了实现的方法。 关键词：光子晶体完全带隙激光全息技术偏振态 摘要 i i i f a b r i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a l st e m p l a t e sb y h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y m a j o r ：o p t i c s a u t h o r ：y o n g c h u n z h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f h e z h o uw a n g a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l sa r em i c r o s t r u c t u r e dm a t e r i a l si nw h i c ht h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t i sp e r i o d i c a l l ym o d u l a t e do nal e n g t hs c a l ec o m p a r a b l et ot h ed e s i r e dw a v e l e n g t h o f o p e r a t i o n m u l t i p l ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nw a v e ss c a t t e r e df r o me a c h u n i tc e l lo f t h es t r u c t u r em a yo p e na p h o t o n i cb a n dg a p ”n op r o p a g a t i n ge l e c t r o m a g n e t i c m o d e se x i s ti nt h ep h o t o h i cb a n dg a p i th i n t st h a tt h ep r i n c i p l eo ft h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h el i g h ta n dt h em a t e r i a lh a db e e nr e m a r k a b l ec h a n g e d b e c a u s eo ft h e h u g ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no ft h ep h o t o n i cc r y s t a l s ，d e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n g p h o t o n i cc r y s t a l sw i t hc o m p l e t eb a n dg a p i nn e a r - i ra n dv i s i b l er e g i o nb e c o m ea h o tp o i n td u r i n gt h el a s td e c a d e b yc o m p a r i s o n 、 ，i t l lo t h e rt e c h n i q u e s ，s u c ha sc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ， s e m i c o n d u c t o rm i c r o f a b r i c a t i o n ，s e l f - a s s e m b l i n ga p p r o a c h ，e t c ，t h ep r o c e s so f f a b r i c a t i o nb yh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h yi sc h e a p ，r a p i d ，c o n v e n i e n t ，a n de f f e c t i v e i nt h i st h e s i s ，w i t ht h eh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h ya n dp l a n ew a v em e t h o d ，t h e f a b r i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a l s ，w h i c hh a v eab i gc o m p l e t eb a n dg a p ，u s i n gf o u r u m b r e l l a l i k eb e a m sh a v eb e e n s y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e d i ne x p e r i m e n ta n d t h e o r e t i c s t h em o s ti m p o r t a n tr e s u l t sa r eg i v e na sf o l l o w s i i i 摘要 1 t h ei n f l u e n c eo fs y m m e t r yo nt h eb a n d ss t r u c t u r eo ff c cs 泗c n f f 苔h a db e e n i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tb yd e c r e a s i n gi t ss y m m e t r yad e g e n e r a c y i nt h eb a n d si sl i f t e da n daf u l lp h o t o n i cb a n dg a pb e t w e e nt h el o wb a n d si s o b 诅i n e d b yi n v e s t i g a t e dt h eb a n d ss 缸c h 聪o f f c cs t r u c t u r e w h o s eu n i tc e l l i se l l i p s o i d w ef o u n dt h a tt h ef c cs 虹u c h 鹏h a v eal a r g ec o m p l e t ep h o t o n i c b a n dg a p ，w h e nt h em a j o rl o n ga x i so f t h ee l l i p s o i di sa b o u ta l o n gt h e 1 1 1 】 d i r e c t i o n v n n e nt h er e f r a c t i o ni n d e xr a t i oi s3 4 ：1 t h em a x i m u mf r a c t i o n a l w i d t h o f t h ec o m p l e t eg a pi su pt o9 o 2 an e wd i a m o n d - l i k es t r u c t u r ep h o t o n i cc r y s t a l sh a v eb e e nf a b r i c a t e db yu s i n g p h a s es h i f ta n dp o l a r i z a t i o no p t i m i z e dt e c h n o l o g y t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h ei n v e r s eo p a ld i a m o n d - l i k es m 】c 1 呲ep h o t o n i cc r y s t a lh a sal a r g e c o m p l e t ep h o t o n i cb a n dg a pb e t w e e nt h es e c o n da n dt h i r db a n d ( j u s tl i k et h e i n v e r s eo p a ld i a m o n ds t r u c t u r e ) al o w e rr e f r a c t i v ei n d e xc o n t r a s t ( 2 0 5 ：1 ) i s n e e d e dt oo p e nac o m p l e t eb a n dg a p c o m p a r i n gw i t l lt h ef c cs t r u c t l l r e t h e c o m p l e t eb a n dg a po ft h ed i a m o n d l i k es t r u c t u r ei sb e t w e e nt h el o w e rb a n d s ， a n dw h e nt h er e f r a c t i v ei n d e xc o n t r a s ti s3 4 ：1 ，t h em a x i m u mf r a c t i o n a lw i d t h o f t h ec o m p l e t eg a pi su pt o1 6 9 ( 3t i m e sl a r g e rt h a nt h a to f t h ei n v e r s eo p a l f c cs 订u c t i s i n c et h ed i a m o n d l i k es h u c t l l r c a l lb ef a b r i c a t e db yf o u r l a s e rb e a m si n c i d e n tf r o mt h es a n l eh a l f - s p a c eo ft h es a m p l e ，t h i ss 价l c t u r ei s f a rm o r es u i t a b l ef o rt h ec r e a t i o no fac o m p l e t ep h o t o n i cb a n dg a pt h a na n y o t h e r h o l o g r a p h i c a l l yd e f i n e dp h o t o r t i cc r y s t a ly e ti n v e s t i g a t e d 3 b yu s eo fs o m es p e c i a lp r i s mt om a t c ht h eb e a m s ，d i a m o n d l i k ec r y s t a l sw i t h s o m es p e c i a ls u r f a c eo r i e n t a t i o n sh a v eb e e nf a b r i c a t e d t h ec a p a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dh a v e b e e nd e m o n s t r a t e db yt h ef a b r i c a t i o no f l o n g - r a n g eo r d e r e dd i a m o n d l i k em i c r o s t r u c t u r e 丽m ( 11 4 ) a n d ( 11 0 ) s u r f a c e o r i e n t a t i o n t h i sf a b r i c a t i o no f l a r g ec r y s t a l s w i t h a d j u s t a b l e s u r f a c e o r i e n t a t i o n sw i l lb ea d v a n t a g e o u st o s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t ep h o t o n i c 摘要v p r o p e r t ys u c ha sn e g a t i v er e f l e c t i o n 4 an o v e lm e t h o df o rf a b r i c a t i o no fc o m p o u n dl a t t i c e s b yh o l o g r a p h i c l i t h o g r a p h y i s p r o v i d e d t h e k e yp o i n t i s p h a s em o d u l a t i o na n d m u l t i p l e - e x p o s u r et e c h n i q u e s t h i st e c h n i q u eh a sm a n ya d v a n c e s ：f o ri n s t a n c e ， u s i n gt h es a m ec o h e r e n tb e a m sa n dw i t h o u tc h a n g i n gt h ep o s i t i o no ft h e s a m p l ed u r i n gm u l t i p l e - e x p o s u r e ，t w oc o m p o u n dl a t t i c e sw i t hl a r g ec o m p l e t e p h o t o n i cb a n dg a p so ft h e2 - dh e x a g o n a ls t r u c t u r ea n dt h ed i a m o n ds t r u c t u r e w e r ed e r i v e da se x a m p l e so f t h e s e p r o c e d u r e s k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l s ，h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y , p o l a r i z a t i o n ， p h o t o p o l y m e r i z a t i o n v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1光子晶体的提出和研究进展 长期以来，人们一直相信自发辐射是原子内在固有的性质。后来的实验 表明，自发辐射与态密度、辐射强度有关，从而还依赖于原子所处的环境。 通过设计和改变空间辐射场的态密度函数，可以控制原子的自发辐射，从而 改变原子和分子的光学性质。这一原初目的，不仅是现代光学的关键思想， 也引发了对光子晶体这一新型材料的研究热潮。 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 1 和s j o h n 2 在讨论周期和非周期电介质结构 中光的传输行为时，设想一种新型的光子微结构能与半导体晶体对电子起的 作用一样，对光子产生类似的约束。其中，前者是在为光通讯寻求一种有效 提高激光器光功率的解决方案，而后者则是纯粹从学术角度考虑光的局域化 问题，还借鉴电子局域模型提出了类似的理论。 在固体物理研究中发现，晶体中周期性排列的原子所产生的电势场对电 子有特殊的作用。处于这种周期势场中的电子，由于散射波的结构性干涉， 能级形成一系列能带。各能带之间的间隔称为带隙，在带隙中不存在能级。 在三维情况下，不同能带在能量上不一定分隔开。当所有不同方向上的带隙 交叠时，形成完全带隙，也就是说能量处于该带隙内的电子波函数在晶体内 不能存在。固体物理的能带理论描述了电子在晶体中的运动规律，从而成功 地解释了半导体完全不同于导体和绝缘体的许多性质。半导体材料的应用也 成为了二十世纪电子工业革命的点金石。光予带隙与原子带隙的对应关系如 图1 - 1 所示。 第1 章绪论 钦 。 - 露能 趣洫 x 图1 1 电子能带与光子频带结构 x 而光波在非均匀介质中互相干涉的方式与电子波函数在晶格中传播的方 式相似。从电磁场理论知道，在无源空间，麦克斯韦方程组的微分形式可以 表示为： 第1 章绪论 v h ( r ，f ) = 0 v 6 ( r ) e ( r ，f ) = 0 v 。e ( r , t ) ：一三罢婴 1 1 v 。h ( r f ) ：土型掣 将电场强度e 和磁场强度h 用简谐波形式表示为： h ( r ，? 。h 哆“( 1 - 2 ) e ( r ，t ) = e ( r ) e “ 则( 1 - 1 ) 可以简化为： v ( 高v 呻) = ( 詈) 2 ( r ) s ， 对比描述电子波函数的薛定谔方程： ( 一去v 2 + 矿( r ) y ( r ) = e ( r ) 4 ， 不难看出( i - 3 ) 和( i - 4 ) 在数学表达上的相似。e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n 提出，在介电函数f ( r ) 呈周期分布的介质结构中，方程( 1 - 3 ) 只有在某些特 定频率处才有解，而在某些国取值区，方程无解。也就是说，电磁波的某 些频率在这种介质结构中是被禁止的。这些禁止的频率区间被称为“光子频 率禁带”。具有光子禁带的材料被称为光子晶体。若禁带在每个方向上互相重 叠时，重叠的部分成为“完全光子带隙”；若禁带只在特定方向上出现，则称 为“不完全光子带隙”。对于频率处于光子禁带中的电磁波，若入射到光子晶 体表面时会被反射，若在光子晶体内产生则无法传播。因此，e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n 设想，对于处在光子晶体内的原子，若其自发辐射频率处在光子带 隙中时，该辐射电磁波模式的态密度会大大减小，从而使白发辐射受到人为 抑制。 尽管被称为“光子晶体”，这一概念的基本理论也可以等效地应用在电磁 波的所有波段上。1 9 9 2 年，e y a b l o n o v i t e h 采用精密机械加工技术制作出 4 第1 章绪论 4 图1 2y a b l o n o v i t e 结构和w o o d p i l e 结构 第1 章绪论 第一个光子晶体结构( 被命名为“y a b l o n o v i t e ”) ，带隙位于微波波段的1 5 g h z 处，约为2 e r a 3 】。自此，构造具有光波段带隙光子晶体的实验通过各种途径 进行了许多尝试。1 9 9 6 年，s i e m e n s 小组【4 和g l a s g o w 大学 5 分别采用电化 学蚀刻和平板印刷的方法成功制备出带隙在5 微米和o 8 5 微米的二维光子晶 体。两年后，l i ne ta 1 6 】和n o d ae ta 1 7 】用半导体微加工和逐层叠加的技术实 现了三维光子晶体，带隙位于无线电波的近红外区域。其后，带隙在微米和 亚微米波段的光子晶体继续通过胶体颗粒自排、电子束干涉蚀刻 8 1 l 】、激光 影印【1 2 1 3 等方式而成功实现。同时，通过自排技术 1 4 和半导体纳米微加 工技术 1 5 ，带隙在近红外和可见光波段的含金属光子晶体被成功制各出来。 金属的高折射率使其与电磁波发生强相互作用，限制了光波在所有主要方向 上的传播，更易形成完全带隙 1 6 1 8 1 。 制备具有怎样周期结构的光子带隙材料一直是光子晶体研究中被关注的 热点。早期理论指出，第一布里渊区( b r i l l o u i nz o n e ) 越接近球形的结构越 容易形成完全带隙。因此，在三维的情况下，具有面心( f c c ) 点阵的结构 更利于形成完全带隙 1 】，而且这类结构可以通过逐层叠加( 1 a y e r - b y - l a y e r ) 的方法轻易地在实验上构造出来 2 1 。然而，k m h o 小组随后就发现，金 刚石结构不仅能形成更大的带隙，而且更有利于形成带隙【1 9 】。y a b l o n o v i t c h 小组根据这一设想实现了第一个光子晶体结构 3 】后，其他的类金刚石结构随 之出现 2 0 - 2 4 。1 9 9 2 年，r e n s s e l a e rp o l y t e c h n i ci n s t i t u t e 的j o s e p h wh a u s 重 新研究了f c c 结构并发现了在高频位置( 第8 、9 频带间) 出现了完全带隙。 随后，他考察了简立方结构，同样发现了较窄的完全带隙。关于光子晶体结 构的研究由此开展。其中，既有围绕结构的周期性、原胞单元的对称性、高 低折射率比、材料的占空比，以及材料连通性对频带结构和禁带特性的影响 等问题的概括性研究 2 5 3 1 ，也有对不同制备方法得到的独特结构的分析 3 2 - 3 3 。 在准完全带隙的研究中最为突出的是二维光子晶体的应用。相比于三维 情况，二维光子晶体更容易制备，同时，通过调整结构，光子晶体的功能也 第1 章绪论 更易于控制。1 9 9 7 年，m 的s h a n h u if a n 和j o h nd j o a n n o p o u l o s 计算了第 一个二维薄膜光子晶体模型，并应用于集成电路c 3 4 1 。二维光子晶体的另一 个极端情况就是光子晶体光纤，通过引入线缺陷来实现 3 5 3 7 卜一即沿着一 定的路线引入缺陷，形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只 有沿着“光子导线”( 即线缺陷) 传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱 离导线的光子都将被完全禁止。这就是理想状态下无任何损耗的光通路。 当线性光子晶体的研究不断地给人们带来新惊喜，光子晶体光纤、二维 纳米光学微腔( n a n a - o p t i c a lc a v i t y ) 的开发取得突破性进展，三维光子晶体 的制备方法继续涌现的时候，光子晶体中的非线性光学性质也开始吸引了众 多科研人员的目光 3 8 。由于非线性现象本身的复杂和丰富，大部分的工作 都还集中在维的情况下。早期的研究对象通常是微腔中光学双稳态( o p t i c a l b i s t a b i l i t y ) 现象，例如拉曼非线性效应( r a m a n t y p en o n l i n e a r i t i e s ) 、自感应 透明( s e l f i n d u c e d t r a n s p a r e n c y ) 、慢光( s l o w l i g h t ) 。此外，混频( f r e q u e n c y m i x i n g ) 、频率转换( c o n v e r s i o n ) 、参量不稳性( p a r a m e t r i ci n s t a b i l i t y ) 引起 的光学压缩( o p f i c a ls q u e e z i n g ) 也是研究的对象。在实际的应用中，单模光 纤内低阂值光纤光栅( w e a ki n d u c e df i b e rg r a t i n g ) 成为了研究调制不稳性 ( m o d d a t i o n a li n s t a b i l i t y ) 、带间光孤子( g a ps o l i t o n ) 和全光开关( f u l l yo p t i c a l l o g i c g a t e s ) 的实验平台。这一快速发展的领域将越来越活跃并吸引更多的重 视。 1 2 光子晶体的应用前景 近年来，随着世界范围内光子晶体研究的不断深入，光子晶体在微波通 信、光电元件以及计算机领域的开发应用越来越凸现其广阔的前景 6 ，1 8 ， 3 9 4 0 】a 6 高效率发光二极管 第1 章绪论 一般的发光二极管发光中心发出的光经过包围它的介质的无数次的反 射，大部分的光不能有效地耦合出去，从而使得二极管的光辐射效率很低。 如果将发光二极管的发光中心放入一块特制的光子晶体中，并设计成该发光 中心的自发辐射频率与该光子晶体的光子禁带重合，则发光中心发出的光不 会进入包围它的光子晶体中，而会沿着特定设计的方向辐射到外面去。实验 表明，采用光子晶体后，发光二极管的效率会从目前的1 0 左右提高到9 0 以上 3 4 】。图1 3 是传统l e d 和微结构发光器示意图 8 9 】，传统的l e d ，光 源产生的能量由于内部反射大部分留在器件中，只有很少得以辐射出去。微 结构发光器，所有模式都通过“光子通道”辐射出去，效率在9 0 以上。 图1 3 传统l e d 和微结构发光器示意图 ( a ) 传统l e d ( b ) 微结构l e d 发光器 低阈值激光器 光子晶体最有意义的应用，可能就是用掺杂光子晶体来制作具有高效的、 低阈值的激光器r 4 1 4 7 。在光子晶体晶格中引入一些或稍小或稍大于晶格中 其它空气空穴的空穴就可以生成光子带隙中的缺陷模式。一般激光器进入激 光模式的光子数与发射出的光子总数的比值b 的典型值为1 0 4 到1 0 6 ，效率很 低。而如果能把掺杂光子晶体应用于激光器，只有符合缺陷模式要求的波长 的光波可以在该材料中自由穿梭，不断被连续反射从而其强度不断被增强。 同时，其它波长的光被光子晶体内部吸收而无法继续增大。发光二级管发出 的光通过光子晶体后都进入单一电磁模式，具有很好的单色性和方向性。这 第1 章绪论 意味着可以得到很窄波长范围内的激光发射器。而这个波长还可以通过使用 特殊的几何学的光子晶体晶格来进行选择。由于光子晶体带隙可以作为光子 捕获器，所以它们还可以有效的提高普通发光二极管的发射效率，光电效应 的效率增长，意味着单模发光二级管成了高效( b z l ) 、低阈值的激光源。 高效率低损耗反射镜 选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射任何方向上的入射 光，反射率几乎为1 0 0 ，即使在短波区域，损耗也非常小。这种光子晶体反 射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线。普通的平面天线由于衬底的 透射等原因，发射向空间的能量有很多损失；如果用光子晶体做衬底，由于 电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部发射向空间，是一种性能非常高的天 线。 宽带滤波器和极窄带选频滤波器 利用光子晶体的光子禁带特性可以实现对光的滤波 4 8 4 9 。这是由于光 子晶体的滤波带宽可以做得比较大，钻石结构的光子晶体的滤波带宽可以做 到中心工作频率的2 0 ，这种大范围的滤波作用利用传统的滤波器是难以实 现的。而当光子晶体中的某些单元被取消而造成缺陷时，就会使得光子晶体 的光子频率禁带出现一些尖锐的“可穿透窗口”，即光子频率禁带内的某些频 率会毫无损失地穿过光子晶体。光予晶体的这一特性可以用来制作高品质的 极窄带选频滤波器。 光子晶体波导 3 5 ，3 7 ，5 0 - 5 3 传统的光导纤维是利用光在两种不同介质界面上的全反射原理传输光 的。在大角度的折弯处，将损失大部分的能量。而在光子晶体中引入线缺陷， 频率在光子带隙内的光将被限制在这一线缺陷内部传播，这是- 1 十新型的导 光机制，能量损耗极小。其优异的导光性能，使光子晶体在未来的全光集成 第l 章绪论 9 回路中起关键性作用。 光子晶体微谐振腔 微谐振腔的制作对光集成有着重要的意义，近年来受到了广泛的关注。 但由于其尺寸特别小，用传统的谐振腔制作方法来制造微谐振腔是相当困难 的。而且在光波波段，传统的金属谐振腔的损耗相当大，品质因数值很小。而 在光子晶体中引入缺陷可在光子带隙中出现电磁波缺陷态，这种缺陷态具有 很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异的 多。 光子晶体超棱镜 8 8 常规的棱镜对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做成的超棱镜 的分光能力比常规的要强1 0 0 到i 0 0 0 倍，而体积却只有常规的百分之一大小。 如对波长为i 0 um 和0 9 u m 的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开， 但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到6 0 。这对光通讯中的信息处理有 重要的意义。 光子晶体偏振器 常规的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，体积也比 较大，不容易实现光学集成。最近，我们发现可以用二维光子晶体来制作偏 振器。这种光子晶体偏振器有传统的偏振器所没有的优点：可以在很大的频 率范围工作，体积很小，很容易在s i 片上集成或直接在s i 基上制成。 光开关 理论表明，光子晶体在热载流子的驱动下具有开关效应 5 4 - 5 5 。一维 5 6 和二维 5 7 光子晶体光开关已经实现，三维光开关现象也达到纳秒 5 8 5 9 和飞秒量级 6 0 。 1 0 第1 章绪论 非线性光子晶体器件 非线性光子晶体是采用非线性介电常数材料在空间周期性排列而成的。 目前在非线性光子晶体器件方面已开展了一些研究工作。t t r u l l 小组已在 实验上观察到了非线性光子晶体的二次谐波产生现象 6 1 。另外，在非线性 光子晶体限幅器、光子开关以及光波束分裂与合成方面也开展了一些工作 6 2 。这方面的工作目前还处于初始阶段，但其研究前景是十分广阔的。 光子晶体还有其它许多应用前景，如光放大器、光聚焦器等新型器件。 另外，如果用金属、半导体与低介电常数材料组成光予晶体以及无序光子晶 体，则都会因为其特殊结构而产生一些特殊性质，从而能够制造出一些新型 光学器件。光子晶体带来许多新的物理现象，随着对这些新现象了解的深入 和光子晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会被发现，光子晶体的 开发研制将极大地推动光子学和光子产业的发展。 1 3 光子晶体的制备 尽管光子晶体理论提出后，几年的时间里，第一个光子带隙结构就成功 地制备出来，但是该结构的带隙位于微波波段，而我们的研究目的则是为了 将其应用于光波波段。而目前人i n 作周期为微米、亚微米级的三维光子晶 体还存在很多困难，所以光学波段范围的光子晶体的制造仍然是一个很大的 挑战。 目前制备光子晶体的方法总起来可主要概括为以下几种： 精密机械加工技术 第一个光子晶体结构是通过精密机械加工法制备出来的，到目前为止， 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【3 ，2 0 ，6 3 。长波长二 维光子晶体多通过上下两个带孑l 的薄片将细小的介质杆或金属杆固定住，薄 1 0 第1 章绪论 片孑l 的排列决定该光子晶体的结构。此外，为了消除结构对称性所致能级简 并，以获得较宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同 的两种介质圆柱杆来构成二维光予晶体。短波长二维光子晶体多采用在半导 体基片上打孔的方法来制造，通常采用激光蚀刻【6 4 】、x 射线蚀刻( x - m y l i t h o g r a p h y ) 【6 6 - 6 7 、电子束蚀刻( e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y ) 【8 ，1 0 ，6 5 ，6 8 1 、 反应离子束蚀刻( r e a c t i o n - i o n - b e a me t c h i n g , r i e ) 6 9 、光调制电化学蚀刻 ( m o d u l a t e dp h o t o - e l e c t r o c h e m i c a le t c h i n g ) 【7 0 等先进的半导体微加工制作 技术。 图1 4 电子束蚀刻制作的光子晶体结构 这种方法能制备出周期规则同时尺度适合的微结构，但是，如何避免制 备过程中造成的缺陷还有待研究。 第1 章绪论 逐层叠加方法( l a y e r - b y l a y e r ) 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 ( l a y e r - b y - l a y e r ) ”方法，即用许多片二维周期性结构叠加在一起而构成三维 光子晶体，是由e o z b a y 等人提出来的【2 1 2 4 ，7 1 7 2 。后来，s n o d a ，e t a l 和 s l i n ，e t a l 通过半导体硅处理技术，用高折射率半导体一层层地构建了红 外区域的光子晶体“w o o d p i l e ”结构【6 ，1 7 ，7 3 ，7 4 。正是得益于这一技术，使 到光子带隙在光波波段得以实现。 嚣鼍# 葱怒息m l 。嚣柑乙a 嗍喋淤栩k 睁a 吣 一矗m 鞠釉 翻姆嘲埘鞠翻 目b 毒d s 们峨i 嘲嘲秘m 纠袖 删蛳棚晰“黼f 稳_ m 翻m 蛹m 尊b mo h 增f 悄 糖i1 栩l 目 图1 5 半导体硅加工技术结合逐层叠加法 制备三维光子晶体【7 5 】 原则上来说，这种l a y e r - b y l a y e r 技术为三维光子晶体的制造提供了一个 可行有效的途径。它利用了半导体加工技术，可得到高质量的拥有完全带隙 的光子晶体，同时所制备的结构也不受限制，并且能准确地加入缺陷【7 7 】， 这对于光子晶体在光电器件上的应用尤为重要。然而这种方法制造工艺繁琐， 造价相当昂贵，并且受半导体技术工艺的限制。如果将它与其它方法结合起 来，有望克服上述的不足 7 5 7 7 1 。 第1 章绪论 o 奢 瓴8 o 7 o 怎 缸5 o 貔3 纛童 0 1 o 图1 - 6 半导体硅加工技术结合逐层叠加法制备的 三维光子晶体的频带结构 胶体颗粒自排或外力强迫排法 另一种制备方案是工艺上很简单的可工作于短波长的三维胶体晶体。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得的。 被广泛研究的三维结构是胶体晶体或脱水的人造蛋白石，由单分散的聚苯乙 烯乳胶球在重力场作用下，在水中自组织生长成面心立方、体心立方等周期 性有序结构，称为胶体晶体。它可望成为制各近红外及可见光波段的三维光 子晶体的一条有效的途径 1 6 ，7 8 - 8 2 。 相对于机械微制作，自排法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 第1 章绪论 控制样品的厚度、面积。但是通过自排或强排所能形成的结构非常有限，制 作时间长，制作过程中无法避免结构上的随机缺陷。同时，胶体晶体的折射 率比值较低，必须通过填充高折射率介质才能获得光子带隙。 图1 7 由4 1 5 n m 小球自排形成的蛋白石结构s e m 图【9 l 】 激光全息法微制作( h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y ) 多束光相干能形成空间周期变化的驻波图案。通过光与物质的相互作用， 感光材料在光强大的区域发生变化，记录下光束的相干图案，从而形成介质 折射率在空间周期变化的有序结构。改变光束的波矢构形以及光束偏振状态， 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。另外，通过 另一束光能直接将缺陷引入结构，为光子器件的制作提供了新思路。由于光 束干涉图样的周期与所用波长同量级，而且高度有序，因此激光全息是很有 第1 章绪论 潜力的一种微加工技术，近几年来引起了人们极大的研究兴趣 8 3 8 7 。 图l 一8 9 0 】( a ) 逐层叠加技术制各的w o o d p i l e 结构s e m 图 ( b ) 二氧化钛反蛋白石结构的s e m 图( c ) 激光全息技术 制备的光子晶体s e m 图( d ) 二氧化钛反蛋白石结构的小角 度x 射线衍射图 1 4 本文的研究背景及本文的工作 光子晶体的实际应用很大程度上依赖于光子频带的特性。在光子带隙内， 不存在任何电磁波传播的模式，意味着光与物质相互作用的方式将得到显著 地改变。因此，如何在所需频率区域获得完全带隙一直是理论研究的焦点之 一。光子晶体的结构表现为晶体的平移对称性和周期单元的点群对称性的集 合。在各种可能的b r a v a i s 格子中，某些晶格结构更易于形成完全带隙。而 第1 章绪论 对于具有同样周期平移对称性的光子晶体，频带结构的计算和分析表明，在 低频处，频带在b r i l l o u i n 区高对称点上的简并是限制完全带隙形成的最主 要因素之一。因此，许多产生完全带隙或者增宽带隙的方法都是通过降低结 构的对称性，消除本征频率的简并来实现的。 理论【9 2 】研究表明，反蛋白石面心立方结构，金刚石结构，反蛋白石金 刚石结构【9 3 】，w o o d p i l e 结构 9 4 ，9 5 】以及螺旋结构【9 6 】等都具有完全光子带 隙。但是在实验制备上都存在着这样那样的困难。例如 1 w o o d p i l e 结构一般使用逐层叠加的方法制作，这种方法耗时长而且所 能得到的层数很少。虽然也有利用激光全息法结合二次曝光技术制作 的多层w o o d r i l e 结构，但是该方法在二次曝光的过程中需要旋转和 移动样品。由于旋转和移动样品很难保证微米级的精度，因此在实际 制备中这种方法的成品率必然会很低。 2 ，反蛋白石面心立方结构光子晶体比较容易制备，但是其完全带隙小， 在折射率比是3 4 ：1 的情况下，反蛋白石面心立方结构光子晶体在第 8 和第9 能带之间所打开的带隙宽度与中心频率比最大值仅约为5 。 而且，反蛋白石面心立方结构光子晶体完全带隙打开的折射率比闽值 为”2 5 。这种高的折射率比阈值限制了完全带隙的形成。 3 金刚石结构具有很宽的带隙，在折射率比是3 5 ：1 时带隙宽度与中心 频率的比值可以达到3 0 左右，但是在实验制备上存在着很多困难。 虽然m i t 的c h a i t a n y ak u l l a l 9 7 和u n i v e r s i t yo fo x f o r d 的d n s h a r p 9 8 等人在2 0 0 3 年分别提出了利用激光全息干涉技术制作金刚 石结构光子晶体模板的方法，但是实现的光路必须从感光样品的两边 入射，这非常不利于光路的实现和干涉条纹的监控，因此这种方法到 现在都还停留在理论阶段。 4 螺旋结构也具有很宽的带隙，但是实验上还没有作出在可见光波长尺 度的螺旋结构。 因此，本文选择研究几种光子晶体制作方法中耗时短，工艺较简单的激 1 6 第1 章绪论 光全息方法，主要研究如何改进和利用激光全息技术来实现具有完全光子带 隙的光子晶体模板。从理论到实验对形成具有宽完全带隙的光子晶体的全息 方法进行系统的研究，从理论上得到实验比较容易制作的宽完全带隙光子晶 体结构，然后在实验上制作出该结构光子晶体模板或提出有效的制作方案。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1 在理论上，研究了光