（光学专业论文）基于波导耦合光栅的光学滤波器件.pdf

、 ) j 一 独创性声明 j l i tit ii ifr l ll lll liii y 17 8 8 9 8 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 冀潼 忍呵 关于论文使用授权的说明 日期：0 o o s 硒 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 秀嘶 f 导师签名 拳陬修石7 摘要 摘要 波导耦合光栅是由衬底层、波导层以及光栅层组成的复合结构。其基本物理 机理是被光栅衍射进入波导传播的光，当其被光栅进一步衍射产生多束衍射光， 它与直接透射光发生干涉相消作用，在透射光谱中形成窄带消光信号，即产生波 导共振模式。将波导耦合光栅与金属材料结合可制各出波导耦合金属光子晶体。 在波导耦合金属光子晶体中，满足一定条件的入射光可激发金属表面等离子共振 现象并与波导模式发生强烈的耦合，使得样品显现出独特的光学响应特性。基于 波导耦合金属光子晶体结构制作的光学元器件可广泛应用在光学滤波、生物传感 等光电子技术领域。 本文在引入金属表面等离子共振及波导耦合光栅光学滤波特性的基础上，介 绍了利用激光干涉光刻法制备大面积、结构均匀的三元波导耦合光栅以及微米级 大周期波导耦合光栅结构的方法。通过对其光学特性的研究发现： ( 1 ) 大周期波导耦合光栅具有不同于周期为纳米级的波导耦合光栅的反常 透射现象。其角分辨的消光光谱中除了具备在波导耦合纳米光栅光谱中观察到的 窄带消光信号，还出现了随角度调谐的透射增强信号。 ( 2 ) 三元波导耦合光栅存在三套不同周期光栅结合而成的波导共振模式， 随着入射角大小的连续变化，其信号响应范围可覆盖至整个可见光区域。三套波 导共振信号模式同时调谐的光谱学响应特性有可能大大增加基于三元波导耦合 光栅结构生物传感器测试的灵敏度。 最后，我们介绍了利用干涉光刻技术结合溶液法制备波导耦合金属光子晶体 的过程，并对其进行了光谱学响应特性研究。这些实验研究结果与理论解释，进 一步开拓了将波导耦合器件应用于光学滤波、生物传感等技术的思路，对设计出 高灵敏度、性能稳定、参数可调的光电子器件具有重要的参考价值。 关键词：光学滤波、波导耦合光栅、波导共振模式、干涉光刻 a b s t r a c t a bs t r a c t w a v e g u i d e dg r a t i n gs t r u c t u r e s ( w g s ) a r eak i n do fn a n o w - b a n do p t i c a lf i l t e r s ，w h i c h a r ec o m p o s e do fas u b s t r a t e ，aw a v e g u i d el a y e r ，a n dg r a t i n gs t r u c t u r e s t h el i g h ti s f i r s t l yd i f f r a c t e db yt h eg r a t i n g , w h i c he x c i t e st h ep r o p a g a t i o nm o d ei nt h ew a v e g u i d e f u r t h e rd i f f r a c t i o no ft h ew a v e g u i d ep r o p a g a t i o nm o d eb yt h eg r a t i n gp r o d u c e s m u l t i p l eb e a m st h a tp r o p a g a t ep a r a l l e lt ot h a td i r e c tt r a n s m i s s i o nb e a mt h r o u g ht h e w g s d e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e d i f f r a c t e db e a m sa n dt h e d i r e c t l y t r a n s m i t t e db e a mg i v er i s et oan a r r o w - b a n do p t i c a l r e s p o n s e i nt h ee x t i n c t i o n s p e c t r u m w g sc a nb eu s e dt o c o n s t r u c tw a v e g u i d e dm e t a l l i cp h o t o n i cc r y s t a l s ( w m p c ) ，w h i c hs h o wn o v e lo p t i c a lp r o p e r t i e sd u et os t r o n gc o u p l i n gb e t w e e nt h e w a v e g u i d er e s o n a n c em o d ea n dt h ep a r t i c l ep l a s m o nr e s o n a n c e t h eo p t i c a ld e v i c e s b a s e do nw g sa n dw m p cc a nb ew i d e l yu s e di nb i o s e n s o r s ，o p t i c a lf i l t e r sa n d o p t i c a ls w i t c h e s t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e st h ef a b r i c a t i o no fw a v e g u i d et e r n a r yg r a t i n g sa n dt h e w g sb a s e do nl a r g e - p e r i o d g r a t i n gs t r u c t u r e s a f t e rs y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no n d i f f e r e n tk i n d so fw g sd e v i c e s ，w ef i n dt h a t ， ( i ) s o m ea b n o r m a lp h e n o m e n a , s u c h 邪e n h a n c e dt r a n s m i s s i o n ，c a nb eo b s e r v e d w h e nt h eg r a t i n gp e r i o di sm u c hl a r g e rt h a nt h ew a v e l e n g t h f u r t h e r m o r e ，t h e r e s o n a n tm o d ec a nb et u n e db yc h a n g i n gt h ea n g l eo fi n c i d e n tl i g h t ( i i ) w a v e g u i d et e r n a r yg r a t i n g sh a v et h r e es e t so fn a r r o w - b a n dw a v e g u i d er e s o n a n c e m o d e s ，w h i c hc a nb et u n e do v e rt h ew h o l ev i s i b l es p e c t r a lr a n g et h r o u g hc h a n g i n g t h ei n c i d e n ta n g l eo ft h el i g h t t h i sh a st h u si n t r o d u c e dm u l t i f o l ds t r u c t u r e sa n d m u l t i p l ef u n c t i o n si n t oa ni n d i v i d u a lw g sd e v i c ea n dm a ye n h a n c et h es e n s i t i v i t y o ft h ec o r r e s p o n d i n go p t i c a lr e s p o n s et ot h e c h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n t a lo r s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ed e v i c ed u et ot h es i m u l t a n e o u so p e r a t i o no fm u l t i p l e m u t u a l l yr e l a t e do p t i c a ls i g n a l s a tl a s t ，w ed e m o n s t r a t et h e f a b r i c a t i o na n do p t i c a lp r o p e r t i e so fw m p cb y i n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h ya n ds o l u t i o n p r o c e s s i b l em e t h o d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n t h i st h e s i se n h a n c et h ef l e x i b i l i t yo ft h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n so ft h ew a v e g u i d e g r a t i n gs t r u c t u r e si nf i l t e r s ，o p t i c a ls w i t c h ，a n ds e n s o r s k e yw o r d s ：o p t i c a lf i l t e r ，w a v e g u i d e dg r a t i n gs t r u c t u r e s ，w a v e g u i d er e s o n a n c e m o d e ，i n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 光子晶体及金属光子晶体简介1 1 1 1 光子晶体1 1 1 2 金属光子晶体及其应用2 1 2 波导耦合会属光子晶体的制备方法及表征手段3 1 2 1 波导耦合金属光子晶体主要制备方法3 1 2 2 微纳结构表征手段。6 1 3 本论文的主要研究内容8 第二章波导耦合金属光子晶体相关理论介绍9 2 1 表面等离子共振9 2 2 波导耦合光栅结构及其光学滤波的基本原理11 2 2 1 波导耦合光栅光学滤波原理1l 2 2 2 波导耦合纳米光栅结构及其光谱学响应特性j 1 2 2 - 3 金属光子晶体理论研究方法1 4 2 4 本章小结1 5 第三章大周期波导耦合光栅的实验研究1 7 3 1 大周期波导耦合光栅结构的制备1 7 3 2 大周期波导耦合光栅的光谱学响应特性1 9 3 3 理论模拟结果2 0 3 4 本章小结2 2 第四章三元波导耦合光栅结构制备及光谱学表征2 3 4 1 三元波导耦合光栅结构的制备2 3 4 2 三元波导耦合光栅光谱学响应特性2 5 4 3 本章小结2 8 第五章波导耦合金属光子晶体结构的制备和光学特性研究2 9 v 北京t 业天掌理掌坝l 。学位论义 5 1 波导耦合金属光子晶体结构的制备2 9 5 1 1 金纳米颗粒胶体的合成2 9 5 1 2 波导耦合金属纳米光栅结构的制备3 0 5 2 波导耦合金属光子晶体光谱学特性表征3 1 5 3 本章小结3 2 第六章飞秒激光脉冲自相关仪光机电系统设计与制作3 3 6 1 相关背景介绍3 3 6 2 飞秒脉冲自相关仪原理3 4 6 2 1 自相关法测量超短脉冲宽度的原理3 4 6 2 2 本课题中自相关仪的结构及原理3 5 6 2 3 自相关仪延迟时间的计算3 6 6 3 机械与电路设计、制作3 7 6 3 1 自相关仪机械元件设计3 7 6 3 2 简易的转速调节电路与光电信息采集系统3 7 6 4 实验测量结果3 8 6 5 本章小结4 0 结论4 l 参考文献4 3 攻读硕士期间发表的学术论文4 9 致谢5 1 v i 第一审绪论 第一章绪论 1 1 光子晶体及金属光子晶体简介 1 1 1 光子晶体 “光子晶体 这个物理概念是1 9 8 7 年e y a b l o n o v i t c h 在研究抑制自发辐射 时提出的【l 】，几乎同时，s j o h n 在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念【2 1 。 光子晶体是指在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体，也称 为光子带隙材料。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够 调制具有相应波长的电磁波。当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉 格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光 子带隙。其能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在 基本模型和研究思路上有许多相似之处，人们可以通过设计和制造光子晶体及其 器件，达到控制光子运动的目的。 按照不同折射率材料空间分布的不同，光子晶体可以分为一维光子晶体、二 维光子晶体以及三维光子晶体，如图1 1 所示。其晶格具有平移对称性的特征分 布。 脚基弛 图1 1 一维、二维、三维光子晶体结构 f i g 1 11d ，2 da n d3 dp h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r e s 由于频率处于禁带内的光不能在完整晶格结构的光子晶体中传播，从而使我 们可以利用这一特点，在完整的光子晶体禁带中开出一条许可带，也称缺陷带， 使得频率处于该区域的光子可以通过光子晶体缺陷进行传播，这将更有助于我们 控制光的传导【3 5 1 。 目前，光子晶体已被应用在光子晶体光纤、光子晶体激光器、高性能反射镜、 光子晶体波导、光子晶体超棱镜、偏振器等技术领域中。随着人们对光子晶体的 深入研究以及制备技术的改进，光子晶体的应用潜能将得到更好的发挥。 北京t 业大学理学硕十掌位论文 1 1 2 金属光子晶体及其应用 金属光子晶体是把光子晶体中周期性排列的电介质单元换成金属所形成的 结构，其基本的光物理学特性是金属纳米结构中的自由电子在光激发情况下会产 生集体振荡。其中，金属可作为周期性排列的光子晶体结构单元。这些周期结构 可以是金属纳米孔【6 1 1 1 、纳米柱【6 。8 ，1 2 】以及纳米线【6 ，7 】等，如图1 2 所示。 季黟7 移参秽第秀 翳痧! i 、，? j 。，：。，：j ，殇 一，。一。霉 ，：囊 。| 一：i 。霪 o：o - o 。 锈 分一。：；： 一，1 ，。一：一凑 ，；。l 图1 2 周期性排列的金属纳米孔、纳米柱、纳米线结构 f i g 1 2p e r i o d i ca r r a n g e m e n t so fm e t a l l i ch o l ea r r a y ，n a n o c y l i n d e r s ，a n dn a n o w i r e s 由于金属是负介电常数的介质【1 3 - 18 1 ，因此光波不能在其内部传播，但由于有 表面等离子体的存在，沿着金属和介质界面传播的电子倏逝波使得金属表面有很 强的近场增强。当光波场入射至不同结构的金属光子晶体结构时，会直接激发金 属纳米结构的表面等离子共振，从而使透射光得到不同的调制。 波导耦合金属光子晶体则是将金属的纳米结构制备在平面或光纤波导上，由 于等离子共振激元与波导共振模式之间强烈的耦合作用【1 2 , 1 9 - 2 3 】，器件表现出特殊 的光谱学特性。这些特性的发现使得金属光子晶体在新型光电子器件，如生物传 感器【2 4 2 5 1 、光学偏振器【2 6 , 2 7 1 、有机电致发光【2 8 1 、太阳能电池【2 9 1 、调q 开关等【3 0 1 器件的开发与应用中具有重要的意义和价值。 在生物传感器的应用领域中，由于金属光子晶体的局域表面等离子共振激发 波长随其所在环境介质的折射率变化而漂移，使得我们可根据共振波长漂移的大 小实现对待测样品的无标记定量检测。新型金属光子晶体生物传感器的优势体现 在其所需的检测样品量少，可实现微量样品检测；样品的利用率高；无需复杂的 机械联动检测装置，测试光路简单；能实现透射式局域表面等离子共振传感模式 等方面。近年来，e e f t e k h a r i 等人将一种二维纳米孔阵列应用于生物传感器的研 第一幸绪论 究，已经使透射式传感器的检测灵敏度提高到4 0 0 n m r j u 3 1 1 。随着新型金属光 子晶体制备技术的发展和对其光电子特性的进一步深入研究，高灵敏度透射式金 属光子晶体传感器指日可待。 由于金属光子晶体在纳米尺度上同时影响电子和光子的行为，因此还可应用 于开发新型、高性能、高度集成化的光电子器件。将金属光子晶体结构应用于有 机电致发光器件的研究，可显著提高器件电致发光的耦合输出，对于提高有机电 致发光器件的外量子效率有着重要意义。据报道，将局域表面等离子共振金属纳 米结构应用于太阳能电池的开发，可提高太阳能电池材料对光的吸收效率，提高 太阳能电池的载流子分离效率，进而获得高光电转化效掣3 2 1 。对于新型分布式反 馈激光器( d f bl a s e r s ) 的研究，利用金属光子晶体作为激光谐振腔，可实现纳焦 量级低阈值的微型激光器【3 3 】，有望实现直接或间接电泵浦有机半导体激光器 3 4 , 3 5 o 在光电子材料研究领域，金属光子晶体可能会成为“超材料( m a t a m a t e r i a l s ) ” 的重要组成部分。所谓的“超材料”是指人工构建的尺度小于外界激发源的具有 不寻常功能的人造材料。其中的负折射材料已经引发传统光学折射现象的革命， 利用负折射材料制成的超透镜( s u p e r l e n s e s ) 能够突破光波的衍射极限，有望实现 对单个分子的清晰成像 3 6 , 3 7 。 1 2 波导耦合金属光子晶体的制备方法及表征手段 1 2 1 波导耦合金属光子晶体主要制备方法 一、电子束刻蚀 电子束刻蚀技术( e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y ，e b l ) 是制备金属光子晶体应用最 广泛的方法，利用该技术可实现各种复杂的、不同周期分布的光子晶体结构【3 8 , 3 9 。 电子束刻蚀法是利用一束高度聚焦的电子束扫描光刻胶的薄膜，使得光刻胶更容 易或更难溶于某种有机显影液中，将光刻胶经显影后便获得图案化的薄膜结构。 最后，利用干刻蚀或沉积技术制备出几何结构控制精美的金属图案化结构。 电子束刻蚀方法是一种精度极高的金属光子晶体制备技术，利用一种特殊的 有机硅光刻胶( h s q ) ( 4 0 , 4 1 域n a c l 晶体或者传统的p m m a 有机高分子掩膜 材料结合超声显影过程【4 3 1 ，能够实现精度高于2 0 n m 的制备过程。但是，制备面 积小( 几十到几百微米) 、制备成本高，是该方法的主要缺点。 北京丁业大学理学硕十学位论文 曼曼曼曼鼍曼曼鼍寰曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇鼍i i i 曼鼍曼曼曼量曼皇 二、聚焦离子束刻蚀 聚焦离子束刻蚀( f o c u s e di o nb e a ml i t h o g r a p h y , h b ) 技术是在电场和磁场的作 用下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子 束，实现微纳米图形的监测分析和纳米结构的无掩膜加工。它用聚焦离子束代替 了扫描电镜( s e m ) 及透射电镜( t e m ) 中质量较轻的电子束，使传统的显微 分析观察和微加工技术的接合上有了新的突破。典型的f i b 设备包括液态金属离 子源、离子柱系统、二次粒子探测器、多轴移动样品台、真空系统、电子控制面 板和计算机控制系统等硬件部分。f i b 的功能主要有：1 定点切割：2 选择性材 料蒸镀；3 选择性刻蚀；4 刻蚀终点探测等。 f i b 技术的主要优点是制备精度高，制备手段灵活，可获得多种图案化结构， 但是这种方法的制备成本仍然非常高，难以实现大面积、低成本制备。另外，f i b 技术较低的加工速度以及在加工过程中可能引入的离子注入或污染等问题也是 需要考虑的。 三、激光干涉光刻结合剥离技术和干腐蚀技术 2 0 0 5 年h c g u o 等人，在研究一维金属光予晶体中等离子共振与波导模式 耦合现象时，提出了激光干涉光刻结合剥离技术和干腐蚀技术制备高质量波导耦 合金属光子晶体的方法【4 4 】。 ( a ) ( c ) lll l i g h t ，、 m ( b ) ( d ) g o l d 图1 3 激光干涉光刻结合剥离技术和干腐蚀技术制备一维金属光子品体过程示意图4 4 1 。( a ) 和( b ) 为干涉光刻过程，( c ) 和( d ) 为离子束刻蚀及去胶过程。 f i g 1 - 3f a b r i c a t i o no ft h e1d m e t a l l i cp h o t o n i cc r y s t a l sb yi n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h ya n d d r y e t c h i n g ：( a ) a n d ( b ) ：i n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y ；( c ) d r ye t c h i n g ；( d ) f i n a l i z a t i o no ft h eg o l d g r a t i n gs t r u c t u r e sa f t e rt h ep h o t o r e s i s t r e m o v a lp r o c e s s 第一币绪论 该方法采用沉积有i n d i u mt i no x i d e ( i t o ) 薄膜的石英晶体作为基底( 其中i t o 层作为波导层) ，之后在i t o 表面沉积一层金属薄膜，并将一层光刻胶旋涂在金 属薄膜表面。将旋涂好的光刻胶结构拿去进行干涉光刻实验，制备一维或二维光 子晶体结构，再利用离子束刻蚀技术将光刻胶的图案写在金属薄膜上，最后去除 光刻胶便可得到波导耦合金属光子晶体。制备过程如图1 3 所示。 利用干涉光刻结合剥离技术和干腐蚀技术制备的一维金属光子晶体，其特点 在于具有良好的周期性和均匀性，结构面积大。实验时，可通过改变干涉光刻系 统中两束光路的干涉角，实现对光子晶体结构周期的调谐。但这种方法的制备过 程仍离不开金属沉积设备和离子束刻蚀设备，因此制备成本较高。 四、激光干涉光刻结合溶液法 2 0 0 7 年张新平教授等人提出了干涉光刻结合溶液法这种成本低、速度快、 简便易行的波导耦合金属光子晶体制备方、法【4 5 , 4 6 】。 函自。r 函了囊，函 ，i，j 波导层 i ：。，：弼 玻璃层 ( b ) 图1 4 激光干涉光刻结合溶液法制备金属光子晶体示意图。( a ) 和( b ) 为激光干涉光刻制备光 栅结构，( c ) 为金纳米颗粒胶体溶液的加热过程，( d ) 退火后得到的金属光子晶体结构。 f i g 1 4f a b r i c a t i o no ft h e1dm e t a l l i cp h o t o n i cc r y s t a l sb a s e do ns o l u t i o n - p r o c e s s i b l eg o l d n a n o p a r t i c l e s ( a ) i n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y ( b ) t h ep h o t o r e s i s tg r a t i n gp a t t o na f t e rd e v e l o p m e n t ( c ) s p i n c o a t i n go fg o l dn a n o p a r t i c l e s ( d ) g o l dg r a t i n gs t r u c t u r ea f t e rt h ea n n e a l i n gp r o c e s s 该方法采用沉积有i t o 薄膜的石英玻璃作为基底，并在其上旋涂一层光刻 胶，利用激光干涉光刻法获得光刻胶的一维或二维结构图案：之后，再以光刻胶 的结构化图案作为模板，在其上旋涂一层金纳米颗粒胶体溶液，并将样品放置于 北京丁业大学理学硕十学位论文 加热板上加热1 0 分钟，温度控制在2 6 0 0 1 3 左右，待样品冷却后即形成波导耦合 金属光子晶体结构。制备过程如图1 4 所示。 使用该方法制备波导耦合金属光子晶体的关键在于：无需利用金属沉积和离 子束刻蚀等大型仪器设备，只要将金纳米颗粒胶体溶液加热，便可利用胶体溶液 与光刻胶及i t o 接触面在加热过程中表面张力的差异，使金纳米颗粒在加热过 程中收缩进入光刻胶凹槽，形成金属光子晶体。而利用干涉光刻这种简单方便的 实验手段，又大大扩展了溶液法制备不同图案结构的金属光子晶体的可行性。激 光干涉光刻结合溶液法制备过程简单、效率高、成本低、样品结构面积大、可重 复性好，在金属光子晶体的制备方面有着广泛的应用前景，也是本课题的指导方 法。 1 2 2 微纳结构表征手段 本课题中用到的对样品的光学表征手段主要有扫描电子显微镜( s e m ) 、扫描 原子力显微镜( a f m ) 以及透射式消光光谱测试等。 一、扫描电子显微镜 扫描电子显微镜的原理就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样表面进 行扫描，从而激发出样品表面各种物理粒子信息。通过对这些信息的接受、放大 和显示成像，即可获得样品的表面形貌和特征。具体而言，当具有高能量的入射 电子束与固体样品的原子核及核外电子发生作用后，会产生多种物理信号包括背 反射电子、二次电子、特征x 射线、俄歇电子等，这些信号分别被不同的接收 器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管 相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏 上相应的亮点一一对应。电子束打到样品上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之 对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。荧光屏上所有亮点的集合即是我1 t i n 用扫描电子显微镜看到的样品表面形貌及特征。 扫描电子显微镜的优点是：有较高的放大倍数，2 0 2 0 万倍之间连续可调： 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种凹凸不平的表面细 微结构；试样制备简单。目前的扫描电镜都配有x 射线能谱仪装置，这样可 以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析。 第一市绪论 i i i i _ i _ i i !- -i i i 皇 二、扫描原子力显微镜 扫描原子力显微镜的发明是由于之前的扫描隧道显微镜( s t m ) 只能直接观 察导体和半导体的表面结构，因此i b mz u r i c h 研究所的b i n n i g 博士等人决定用 微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和s t m 的针尖之间，于是在 1 9 8 6 年发明了扫描原子力显微镜【4 7 】。扫描原子力显微镜是通过探针与样品之间 微弱的原子间作用力( 如范德瓦尔斯力、排斥力、附着力、摩擦力和表面张力) 来获得物质表面形貌的信息。因此，a f m 除测试导电样品外，还能够观测非导 电样品的表面结构，其应用领域更为广阔。 a f m 的分类可根据探针是否导电，分为导电a f m 和非导电a f m ；就其工 作模式来说，主要有接触模式( c o n t a c tm o d e ，c m ) 、非接触模式( n o n c o n t a c tm o d e ， n c m ) 和轻敲模式( t a p p i n gm o d e ，t m ) 。 三、消光光谱测试 本课题中，利用s e m 和a f m 可得到样品的微纳结构特征，而利用消光光 谱测试系统，可使我们观察到波导耦合光栅或金属光子晶体的光谱学响应特性。 实验搭建的消光光谱测试系统结构光路如图1 5 所示： 光阑偏振片 图1 5 透射式消光光谱测试系统光路图 f i g 1 5e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rt h eo p t i c a le x t i n c t i o nm e a s u r e m e n t 该系统使用1 0 0 w 的卤素灯作为白光点光源。由点光源发出的光经过准直、 聚焦系统，并进行空间滤波后照射在样品上。在样品后放置光纤以收集透射光并 耦合进光谱计，经计算机绘图和处理后即可得到样品的消光光谱。在此光路中加 入偏振片以适合不同偏振方向的测量，同时，放置样品的样品架则需固定在旋转 平移台上并可随旋转台沿竖直轴转动。当入射光垂直入射到样品上时，通过旋转 平移台使入射角大小连续变化，通过光谱处理可得到样品的波导共振模式随入射 角变化的情况，即得到样品的角分辨消光光谱，通过对样品角分辨消光光谱的分 析可得到样品的角分辨调谐速率。对于本课题中所研究的波导耦合金属光子晶体 北京t q 2 大学理学珂! 十学位论文 而言，测量样品的角分辨调谐速率有着重要的意义，其大小直接影响波导耦合金 属光子晶体生物传感器的灵敏度。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文在介绍金属表面等离子共振及波导耦合光栅结构光学滤波特性的基 础上，利用激光干涉光刻结合溶液法制备了大周期波导耦合光栅以及三元波导耦 合光栅结构并结合s e m 、a f m 、透射式消光光谱测试等方法对其进行了微纳结 构和光谱学特性表征，研究了其波导共振模式的角分辨调谐特性并作了相应的理 论分析。这些工作为制备低成本、大面积结构、光学性能可调的波导耦合金属光 子晶体奠定了基础，并为其在新型光学滤波器、生物传感器等光电子领域的应用 提供了新的思路。 最后，本论文以独立一章，介绍了一种新型飞秒激光脉冲自相关仪的光、机、 电系统设计与制作方法。通过使用示波器进行图像采集，并经过计算分析后的实 验结果表明，该仪器可作为实验室常用的激光脉冲自相关仪对飞秒激光的脉冲宽 度进行测量和诊断。该成果曾在北京市第五届“挑战杯 大学生科技作品竞赛中 荣获二等奖。 第市波导耦合余属光子品体相关理论介绍 第二章波导耦合金属光子晶体相关理论介绍 表面及局域化的等离子共振是金属光子晶体最重要的特性，而波导光栅结构 则是构成波导耦合金属光子晶体的结构基础，其波导共振模式与等离子共振激元 之间强烈的耦合作用，使器件表现出新颖的光谱学特性。本章介绍了表面等离子 共振的相关原理以及波导光栅结构共振的理论模型，给出了课题组制备的波导耦 合光栅结构及光谱学特性表征结果。由于本论文主要工作内容在于实验创新，所 以这部分内容不作为论文重点，仅作为理论参考和指导。 2 1 表面等离子共振 表面等离子体共振是一种物理光学效应。通常，金属和半导体内部与表面存 在着大量自由电子，形成自由电子气团，称之为等离子体( p l a s m o n ) 。存在于金属 或者半导体内部的自由电子气团，被称为体等离子体：而存在于金属或半导体表 面的自由电子气团，则被称为表面等离子体( s u r f a c ep l a s m o n s ，s p s ) 。 h u o 吕 o k d 8 p w a v e v e c t o rk 图2 1 金属膜界面上的s p s 及其色散关系示意图例 f i g 2 1t h ee x c i t a t i o no fs u r f a c ep l a s m o na n d i t sd i s p e r s i o nr e l a t i o nc u r v e 9 e ，岛 一一一一一 臻= 一。一b 瓢眨| 勤剽， 唧 訾 一 。爹；， 毽 一 ，一 i i 蝉 笑峰 一 一 z 一 m 。娩 ；轧；一曩； 表面等离子振荡是指在金属表面自由电子气团产生的振荡，其特点为沿着垂 直于金属表面的z 方向迅速衰减。表面等离子体具有表面局域和近场增强两个特 性。图2 1 所示的简单结构中金属膜介电常数为占。，在金属表面传播的s p s 的电 场可以表示为【4 8 】： e 印( x ，z ) = e o e i k 一, j 一洲( 2 1 ) 其中金属膜介电常数为s 。，k , p = 2 z c 2 , p ，如是表面等离子体激元的共振波长， 尼：为实数( 若为虚数就没有指数误差衰减的性质) 。该式明确表明s p s 具有局域在 金属表面的特性，其电场强度沿着垂直金属表面方向指数衰减。另外，s p s 在 无限大金属平面上的色散关系为： 碡= ( 詈) 2 老 ( 2 - 2 ) c 十s 一 其中，是与金属膜相邻介质的介电常数。由图2 1 中s p 的色散曲线，可 看出等离子体的波矢大于光子波矢，所以在光滑金属薄膜表面上无法直接和光发 生耦合。 要产生表面等离子体共振现象，必须具备3 个基本条件：首先要存在表面等 离子体，然后要存在合适的激发源，最后激发源和等离子体之间必须满足一定的 激发条件。满足这三者，激发源可以导致表面等离子体发生共振并吸收与其共振 频率相同的外来激发源能量，从而可以观察到反射后的电磁波在一定波段的能量 发生衰减。 不同于表面等离子体的是，当光场作用于金属表面时会产生表面等离子体激 元( s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ，s p p s ) 。表面等离子体激元是局域在金属表面的一 种由表面等离子体与光子相互耦合形成的混合激发态，也就是表面电磁波和表面 电子振荡的一种混合模式。 值得一提的是，s p p s 可用于纳米光刻蚀术中。目前加工制作电子电路的工 艺水平最小特征尺寸大约为5 0 纳米，然而更先进的电子器件要求能够加工更小 纳米尺度的集成回路。尽管光投影刻蚀术可以通过采用更短波长的光源来达到上 述目的，然而这将引发出一系列相关问题：如需研发新的光源，新的光敏层材料 以及其他相关的光子学问题等。由于s p p s 能够在接近金属表面，产生一个很强 的局域场，使以上问题有望通过利用s p p s 理论得以解决。当s p p s 共振频率落入 第二章波导耦合金属光予l 晶体相关珲论介绍 一个光敏层的灵敏区时，金属表面增强的光场，能够直接使放在掩膜下面的光敏 层材料曝光。此技术不受衍射极限的限制，可采用宽光束的可见光照明标准的光 敏层，制作出亚波长尺寸的结构【4 9 1 。 总而言之，表面等离子体共振是金属纳米结构具有的非常独特的物理学特 性，基于表面等离子体共振的纳米结构体系研究已形成了国际上迅猛发展的热点 研究领域之一，即表面等离子体光子学。随着纳米科学的发展，这一学科包含非 常广泛的研究内容，如表面光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面等离 子体光催化、表面等离子体纳米波导、表面增强的能量转移及选择性光吸收等。 这些研究不但可以发现许多新现象并提出许多新问题，而且展示了巨大的应用前 景，有望为纳米表征技术和以其为基础的传感器技术提供新原理和新方法，进而 发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体器件和表面增强光谱传感器【5 0 】。 2 2 波导耦合光栅结构及其光学滤波的基本原理 2 2 1 波导耦合光栅光学滤波原理 波导耦合光栅结构是由光栅层、波导层以及衬底组成的1 5 1 1 。当光入射至光栅 时，一部分光折射出波导，另一部分则由于光栅的衍射进入波导传播，如图2 2 所示。其中，p r 表示由光刻胶( p h o t o r e s i s t ) ：f 涉光刻所形成的光栅结构，i t o 表 示由铟锡氧化物( i n d i u mt i no x i d e ) 沉积在玻璃基底上作为波导层，人为光栅周期。 图2 2 波导耦合光栅结构不恿图 f i g 2 2t h eg e o m e t r yo fw a v e g u i d eg r a t i n gs t r u c t u r e s 当在波导中传播的光经过波导层底面部分一次或多次反射后，再次入射至光 栅结构并被光栅衍射产生的多束衍射光与直接透射光发生干涉相消作用，在透射 光谱中形成窄带消光信号，即产生波导共振模式( 如图2 2 中s 光与t 光所示) 。 同一入射光的两出射光( f 光与j 光) 相位差为： 北京t 业大学理掌坝十掌位论文 = 中p + ，+ 2 d( 2 3 ) 其中，西p 为s 光在波导传播中由于与t 光光程的不同而引入的相位差，o ， 为s 光在波导层与衬底的界面全反射时由半波损失所引入的相位差，。是由于 光栅对j 光的两次衍射所引入的相移。 其中， 。= 2 k 3 h + m p 2 x( 2 - 4 ) ，= 2 4( 2 - 5 ) d = l 一詈 ( 2 6 ) 二 式中，k 3 表示波导层中的波数，其值为k 3 = n 3 k s i n ( y ) h 为波导层厚度。 为波导与衬底处界面的菲涅尔相移，是光栅处由于光栅上表面、光栅层、波 导层三者材料折射率的不同而引入的菲涅尔相移。公式推导过程详见参考文献 【5 2 ，在此不再赘述。 j 光与t 光总的相位差可表示为： = 2 k 3 h + 2 l + 2 4 一万( 2 - 7 ) 当总相位= 2 聊万一万时，s 光与t 光干涉相消，在透射光谱中出现一个窄带 消光信号，称为波导共振模式。这就是波导耦合光栅结构实现窄带光学滤波的基 本物理机制。 2 2 2 波导耦合纳米光栅结构及其光谱学响应特性 本课题组制备的波导耦合纳米光栅结构如图2 2 所示。光栅周期d 由式子 。d = n , 免( 2 s i n ( t g 2 ) )( 2 8 ) 决定。其中，n 为波长五处光刻胶的折射率，曰是到达样品表面的两光束夹角。 由公式可见，当激光波长一定，调整两束光的夹角可实现对光栅结构周期的调谐。 图2 3 给出了实验制备的周期约3 0 0 n m 的波导耦合纳米光栅a f m 图像及 s e m 图像【5 3 1 。由图中我们可以看出，利用激光干涉光刻法制备出的波导耦合光 栅结构均匀、边缘清晰、结构面积大。通过改变干涉角度、显影时间、曝光时间 可有效的调节光栅周期及调制深度等参数，这为进一步制备大面积，具有优良光 学特性且参数可调的金属光子晶体及生物传感器提供了前提条件。 第二章波导耦合会属光子f 昂体相关理论介绍 曼皇鼍皇曼曼曼曼曼曼! 舅曼曼! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼