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青岛科技大学研究生学位论文 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 摘要 光子晶体作为可以控制光子运动的新材料，在近十几年来吸引了材料科学、 物理学等各个科学领域科学家的极大研究兴趣，并有相当多的研究小组致力于设 计制作各种性能优异的光子晶体器件。当前在众多对新型高效光子器件的探索研 究中，缺陷模式激射和带边模式激射成为较为引人注目的研究方向之一。研究表 明，光子晶体结构的禁带边缘可以发生激光激射。目前研究低阈值激光激射大多 是用以手性分子分布的层状结构的天然液晶带隙结构，或者用不同折射率的聚合 物交替旋转涂膜方法制备的多层一维带隙结构，也有研究小组采用半导体生长技 术或电子束光刻技术来制作光子晶体结构用以研究低阈值激射效应。近几年来， 激光全息刻写技术因其能够经济、快速、灵活地制作大面积光子晶体等优势，已 成为研究制备光子晶体模板的一种有效途径。本论文主要研究利用激光全息光刻 技术，结合不同的感光材料制备一维层状光子晶体，并且获得了具有缺陷模带隙 特征的光子晶体。利用所制得的具有良好带隙特征的层状光子晶体结构，根据带 隙位置不同，掺杂与之相匹配的有机发光染料，实验研究了层状光子晶体带隙边 缘的激光激射现象，即为光子晶体带隙内的自发辐射增强效应，并对其机理进行 了理论分析。 本论文的主要研究内容可以概括为以下几个方面： 1 在进行全息光刻微制作之前，计算机数值模拟全息干涉场的空间光强分布 可起目标先导作用。本文采用计算机编程模拟技术，采用镜像添加光束技术，改 变光束配置，调整改变入射光束的偏振角度，较容易地实现了干涉场光学格点从 三维到一维层状结构的转变。 2 在计算机模拟的指导下，利用激光全息光刻技术，在s u 8 环氧树脂中制 作了一维层状光子晶体，并利用扫描电子显微镜( s e m ) 和光纤光谱仪对所得结 构进行表征，实验结果与计算机模拟相符合。所得结构是清晰的层状结构，且在 可见光波段内有光子带隙，带隙的位置随着层状结构层间距的增大而发生红移。 3 利用激光全息光刻技术在d c g 干版中制作了层状光子晶体，并对其形貌 和光谱进行了表征。结果表明不同入射角度得到的层状结构的带隙位置不同。 4 在光子晶体的带边处，光子的群速度骤然降低，光子结构中光子向结构 外的能量辐射消散很慢，导致了能量在此的大量集聚。光子态密度在带边位置达 到了最大值，发光介质将获得极高的增益，所以在带边比较容易发生激射现象。 我们根据层状结构的带隙位置和有机荧光染料的荧光光谱，在d c g 制备的层状 结构中掺杂适当的有机荧光染料，并对其进行激射实验的研究，在一维光子晶体 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 的带隙边缘观察到了激射现象，而且阈值比较低。 关键词：全息光刻技术一维层状光子晶体染料掺杂激光激射 青岛科技人学研究生学位论文 r 邶i u c a t i o no f1 dl a y e rs t r u c t u r e sb y h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h ya n dt h es t u d y o f p h o t o i n d u c e dl a s i n g a b s t r a c t a san e wk i n do fm a t e r i a l s ，p h o t o n i cc r y s t a lw h i c hc a nm o d u l a t et h ef l o wo f p h o t o n sh a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o n sb ym a t e r i a ls c i e n t i s t s ，p h y s i c i s t sa n do t h e r s c i e n t i s t sd u r i n gt h el a s td e c a d e m o r e o v e r , al o to fr e s e a r c hg r o u p sh a v ed e v o t e dt o d e s i g n i n gav a r i e t yo fh i g hp e r f o r m a n c ep h o t o n i cc r y s t a ld e v i c e s a m o n gt h en e wa n d e f f i c i e n te x p l o r a t i o no fp h o t o n i cd e v i c e s ，t h es t u d yf o rp h o t o n i cc r y s t a ll a s i n gi so ft h e m o s tp a r t i c u l a r l yp r o m i n e n tc u r r e n t l y r e s e a r c h e ss h o w e dt h a t ，l a s i n gw i l le a s i l y o c c u ra tt h ep h o t o n i cb a n d g a p ( p b g ) e d g ea n dd e f e c tm o d e m o s tr e p o r t e dw o r k so n b a n d - e d g pl a s i n ga r ef r o mc h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a l s ( c l c ) ，w h e r et h el a y e r e d s t r u c t u r ei sc o n s t i t u t e db yc h i r a lm o l e c u l e s o r1 dl a y e r e ds t r u c t u r ew h i c hf a b r i c a t e d b ym u l t i p l ec o a t i n g sa l s os o m e o n ef a b r i c a t e d t h ep h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r eb y s e m i c o n d u c t o rg r o w t ho re l e c t r o nb e a mw r i t i n gt os t u d y i n gb a n d - e d g el a s i n g i n r e c e n ty e a r s ，h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h i ct e c h n o l o g yb yw h i c hc a nf a b r i c a t el a r g e ra r e a p h o t o n i cc r y s t a le c o n o m i c a l l y , q u i c k l ya n df l e x i b l y , h a sb e c o m ea ne f f i c i e n tm e t h o d f o rf a b r i c a t i n gp h o t o n i cc r y s t a lt e m p l a t e s i nt h i st h e s i s ，w ef a b r i c a t e d1 dl a y e r e d p h o t o n i cc r y s t a lb yh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h ys i n g l ee x p o s u r em e t h o d ，f u r t h e r m o r ew e a l s og o td e f e c tm o d eb a n dg a p a c c o r d i n gt ot h eb a n dg a pp o s i t i o ns h o u l dm a t c h i n g t h eo r g a n i cf l u o r e s c e n ts p e c t r a ，w ed o p e dv a r i o u sd y e si no u rf a b r i c a t e d1 dl a y e r e d s t r u c t u r e b yp u m p e dp u l s e dl a s e r , w ei n v e s t i g a t e da n do b s e r v e dp h o t o i n d u c e dl a s i n g a tt h eb a n dg a pe d g eo fd y e d o p e dl a y e r e dp h o t o n i ec r y s t a l t h e o r e t i c a la n a l y s i so f e a s yl a s i n ga tt h eb a n dg a pe d g em e c h a n i s mi sa l s og i v e ni nt h i st h e s i s r n l em a i nc o n t e n t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s 1 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e l i n go fi n t e r f e r e n c ep a t t e mc a ns e tt h ep a c ef o r h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h yt e c h n i c i nt h ea r t i c l e ，w ef o u n d t h a tb ya l t e r a t i o ni n t e r f e r e n c e b e a m sc o n f i g u r a t i o n sa n dc h a n g i n gt h ep o l a r i z a t i o n so ft h ei n t e r f e r e n c eb e a m ss i m p l y ， m 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 t h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n sc a nb ee a s i l yc h a n g e df r o m3 dm i c r o s t m c t u r e st o1 dl a y e r e d s t r u c t u r eb ym i r r o r - a d d e db e a m st e c h n i q u e 2 b a s e do nt h eg u i d a n c eo ft h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w ef a b r i c a t e d1 d l a y e r e dp h o t o n i cc r y s t a li ns u 8p h o t o r e s i s tb yh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h ym e t h o d w e c a l lo b s e r v el a y e r e ds t r u c t u r ei nt h ezd i r e c t i o nb yt h es e mc h a r a c t e r i z a t i o nw h i c hi s c o n s i s t e n tw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s t h es t r u c t u r e se x h i b i tp h o t o n i cb a n dg a p s i nt h ev i s i b l er a n g e 3 w ea l s of a b r i c a t e da n dc h a r a c t e r i z e d1 dl a y e r e ds t r u c t u r e su s i n gd i c h r o m a t e d g e l a t i n ( d c g ) m a t e r i a l sb ys i n g l ee x p o s u r em e t h o d t h e s e1 dp h o t o n i cc r y s t a l s s h o w sv e r yg o o dp h o t o n i cb a n ds p e c t r u m 4 t h eg r o u pv e l o c i t yo fp h o t o n si ss u b s t a n t i a l l yr e d u c e dw h e nc l o s e s tt ot h eb a n d g a pe d g e s ，a n dt h ee n e r g yi sg a t h e r i n gl a r g e l yh e r e i ft h ep h o t o nd e n s i t yo fs t a t e s ( d o s ) r e a c h e d i t sl a r g e s tv a l u e ，t h el a s i n gc a n e a s i l yo c c u r r e d b a s e do nt h ep o s i t i o n s o fb a n dg a p sa n dt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r a , w ed o p e dt h el a y e r e ds t r u c t u r e sw i t h d i f f e r e n tf l u o r e s c e n c ed y e s ，a n do b s e r v e dt h el a s i n gp h e n o m e n o na tt h ee d g eb a n dg a p u n d e r l o w e rt h r e s h o l d k e y w o r d s ：h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y , o n e d i m e n s i o n a ll a y e r e dp h o t o n i c c r y s t a l ，d y e d o p e d ，l a s i n g i v 1 4 2 逐层叠加方法9 1 4 3 胶体自排法1 0 1 4 4 直写技术。1 0 1 4 5 激光全息法微制作1 0 1 5 论文的研究意义和文章内容1 1 第二章s u 8 感光树脂材料制作光波段一维层状光子晶体1 3 2 1 一维光子晶体简介1 3 2 2 全息光刻制备一维层状光子晶体的技术原理1 3 2 2 1 光束偏振调节法1 3 2 2 2 微结构支撑法1 6 2 3 感光树脂材料1 6 2 4 感光样品的制备过程1 7 2 5 感光树脂制备层状结构实验1 8 2 5 1 层状结构制作光路构型1 8 2 5 2 样品曝光及显影处理1 9 2 6 实验结果2 0 2 6 本章小结2 4 第三章重铬酸盐明胶干板制作光波段一维层状光子晶体2 5 v 激光全息光亥i l l i l 作一维层状光子晶体及其激射研究 3 1d c g 简介2 5 3 2d c g 中结构记录机理。2 6 3 3 d c g 干板的制作2 6 3 4d c g 明胶干版制作层状结构实验装置2 7 3 5 曝光后的显影处理2 9 3 6 实验结果分析2 9 3 6 1 样品的光子带隙分析2 9 3 6 3 样品纵切面s e m 表征3 1 3 6 2 不同入射角度制备的样品3 1 3 6 4 不同脱水温度对样品带隙的影响3 3 3 7 小结3 5 第四章一维光子晶体激射实验研究3 6 4 1 一维光子晶体带边激射实验理论基础3 6 4 1 1 自发辐射和受激辐射。3 6 4 1 2 荧光染料的能级图3 7 4 1 3 态密度和光辐射的关系3 8 4 2d cg 明胶层状结构染料的掺杂3 8 4 3 层状结构的激射实验研究3 9 4 3 1 激光激射实验装置3 9 4 3 2 样品的激射研究4 0 4 3 3 结果分析4 3 4 4 本章小结4 4 结论4 5 参考文献4 6 附录5 0 致谢5 3 攻读学位期间发表论文5 4 v i 青岛科技大学研究生学位论文 第一章综述弟一早琢迎 光子晶体的产生是科学家在假设光子也可以具有与电子类似的在不同晶体 中传播的规律的基础上发展起来的。上世纪以半导体为代表的电子带隙材料的 迅猛发展导致了一场电子工业革命，微电子产业得到了跳跃式的发展，人类进 入了以计算机为标志的电子信息时代。其原因在于这种电子带隙材料能够操纵 电子流动，在几乎所有的半导体器件中，电子起到了决定性作用。但是由于电 子的特性，半导体技术现在已经遇到了瓶颈【，器件的进一步小型化以及在减 少能耗下提高运作速度已经面临着发展的极限。而光子有着比电子更优越的特 性：没有相互作用、速度更快且可以携带更多的信息。 由于光子做为信息载体有巨大的优越性，能够操纵光子流动的光子晶体越 来越受到人们的关注，并且成为当前国际研究前沿中受重视的热点之一。光子 晶体的体积小、性能稳定、不受外界电磁干扰、易于集成等优点，使其成为光 电集成、光子集成、微波通讯以及国防科技等现代高新技术的一种新概念材料， 也是为高新技术和相关学科发展带来机遇的关键性基础材料。因此光子晶体也 被科学界和产业界称之：“光半导体”或“未来的半导体”，是未来信息技术的核 心。应时代发展的要求，从上世纪末期开始，光子晶体成为当今国际范围内一 个重要研究方向。美国科学把光子晶体列为1 9 9 9 年的十大科学进展之一。 光子晶体的研究前景和其对经济、对社会发展的潜在影响是不可估量的。 1 1 光子晶体概论 1 1 1 光子晶体的简介 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念最早是由美国b e l l 实验室的e l i y a b l o n o v i t c h 2 j 和p r i n c e t o n p l 大学的s a j e e vj o h n 于1 9 8 7 年各自独立地提出的。 光子晶体是在光学尺度上不同介电常数的电介质按周期性或准周期性交替排列 构成的人工设计和制造的微结构，是固体理论和电磁理论相结合的产物【4 1 。其 中y a b l o n o v i t c h 首次提出在光子禁带中可以利用光子态密度中的禁带来控制光 子晶体的自发辐射和受激发射，而s a j e e v 则在研究指出周期性介电结构中的光 子局域现象。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一种介电常数在 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 空间周期变化的微结构。当波长为九的电磁波入射到这种微结构上时，由于多 束光束相干涉的现象，一般会在相应的方向产生所谓的“光子带隙”，所谓的光 子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存 在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微 波与声波波段。即在某些频率范围内，电磁波是无法传播的。这一现象类似与 半导体中电子的能量禁带f 5 1 。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。所具能量处在光 子带隙内的光子，不能进入该晶体。 光子晶体与以前的光电子晶体如硅、砷化镓等的区别在于，后者是在分子 和原子尺度内改变物质的化学结构，从而完成对光的发射、吸收、传播和散射 调制；而光子晶体是在波长尺度上对物质进行物质结构的改造，使该物质能够 控制光子的行为。另外，光子服从m a x w e l l 方程，电子服从的是薛定谔方程； 光子波是矢量波，电子波是标量波；电子是自旋为1 2 的费米子，光子是自旋 为1 的波色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。光子晶体主要 是在带隙结构中引入缺陷，造成破坏周期结构的局部区域，是光子带隙形成缺 陷能级。具有一定能量的光子才能在这个缺陷区域存在和传播。在这个区域以 外的介质中，该能量的光子能量是被禁止的。半导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( 半导体中的禁带) 。而周期排列的低折射 率位点的之间的距离大小不同，导致了一定距离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。 由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所 以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的带隙常称为 电磁带隙( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ，简称为e b g ) ，光子晶体的引入为微 波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤 波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前 景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起 步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。 1 1 2 光子晶体的理论基础 电子在原子晶体中的运动，电子波函数满足薛定谔方程： 2 青岛科技人学研究生学位论文 一荔h 2 俨州卟v ( ，) = 训，) ( 1 1 ) 其中v ( f ) 为在r 处的周期势能函数，v ( r ) 为r 处电子的波函数，e 为能量的本征值。 因为势能函数为周期性函数，e 只在取某些值时方程有解，在某些区域内方程无 解，无解的区域就称为电子的能量禁带。 频率为的单色电磁波在周期性电介质中的传播可以用麦克斯韦方程组表 示： vx e ( r ) = - j o o l a h ( r ) ( 1 2 ) v h ( r ) = j c o o t e ( r ) ( 1 3 ) v e ( r ) = ( 1 4 ) v h ( r ) = 0( 1 5 ) 其中= 。( ，) ，( ，) 为相对介电常数，。为自由空间的介电常数。h ( r ) 是电磁 波的磁场分量，e ( r ) 是电磁波的电场分量。在介电常数周期性变化的介质中， ( ，) = ( ，+ 引，a 为介电常数变化的周期。 在通常情况下，对于无磁性介质，p 。p o 。 取( 1 2 ) 的旋度，并利用( 1 3 ) 式消去h ( r ) 得： 南v v 叫，) _ 7 ( d 2 e ( ，) ( 1 6 ) 其中c ：1 1 ，为真空中的光速。 、，o p o 同理，利用( 1 2 ) 式的旋度并利用( 1 3 ) 式消去e ( r ) 得到方程： v 南v 删捧( d 2 砷， 乃 ( 厂) 展开 ( ，) = ( ，+ 口) = 删吲( ，) + 。 ( 1 8 ) 其中，删耐( ，) 为相对介电常数的空间变化分量，e 。为相对介电常数( ，) 的平 均信。 3 激光全息光刻制作一维层状光子品体及其激射研究 利用矢量分村r 公式得到： v ( v xe ) = v ( v e ) - v 2 e ( 1 9 ) 把( 1 8 ) ( 1 9 ) 两式代入到( 1 6 ) 式，得到电场e 的偏微分方程 v ( v - e ) 一 v 2 + 等删( ，- ) e ( ，) = 7 ( 0 2 乒( r ) ( 1 1 0 ) 通过( 1 1 0 ) 与薛定谔方程( 1 1 ) 的对比可以看出，删耐( ，) 与势能v ( 0 相对应，2 则类似于薛定谔方程中的能量e 。薛定谔方程没有( 1 1 0 ) 左边 的矢量项v ( v e ) 。由此可以看出电磁波遵循的是矢量波理论，而电子的波函 数遵循的是标量波理论。( 1 1 0 ) 式给出了光子晶体的所有信息，如折射率比、 占空比、晶格结构等。通过求解( 1 1 0 ) 式，可以得到一个类似于能带结构的光子 能带图。 1 2 光子晶体的特性 以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，因为光 子具有特殊的性质，如光子禁带、抑制自发辐射、光子局域、负折射现象等 特性。 1 2 1 光子禁带 光子晶体最基本的特征就是具有光子禁带【6 1 ，频率落在光子禁带中的 电磁波是被禁止传播的。在这旱所谓的光子禁带指的是求解m a x w e l l 方程过 程中所得到的电磁波的频率与波矢之间的色散关系，如图1 1 。波矢在这里有两 方面的含义：电磁波的波长和它的行进方向。即光子晶体的带隙不但与光子的 能量有关，而且与光子穿过介质的方向有关。它有完全禁带与不完全禁带之分。 所谓完全禁带，是指光在整个空间的所有传播方向上都有禁带，且每个方向上 的禁带能相互重叠；不完全禁带，相应于空间各个方向上的禁带并不完全重叠， 或只在特定的方向上有禁带川。 4 图1 - 1 光子禁带示意图 f i g 1 - is c h e m a t i cp l a no f p h o t o n i cb a n dg a p 光子禁带依赖于光子晶体的结构、介电常数比、填充比及散射原子的 形状。一般来说，光子晶体结构对称性越差，其能带简并度越低，越容易 出现完全光子禁带 8 - i o 】；介电常数比越大，越可能实现完全光子禁带。 1 2 2 抑制或增强自发辐射 人们一直认为自发辐射是随机的、不能改变的。虽然在1 9 4 6 年p u r c e l l 首次提出自发辐射可以人为改变的观点u ，但是人们并没有接受，直到八十年 代光子晶体概念的提出，人们才对自发辐射有了正确的认识。自发辐射并不是 物质的固有性质，而是物质与场相互作用的结果。处于激发态的原子有向基态 跃迁的倾向，并以光子的形式释放出能量，这就是原子的自发辐射。从图1 2 中，我们可以看到，光子态密度与频率的关系。自发辐射的比例与光子态的数 目成正比，但是在光子晶体的禁带中的光子态数目是零。当光子晶体的原子的 自发辐射频率刚好落在光子禁带中时，自发辐射就会被抑制【1 2 1 ；若在光子晶体 中加入杂质，光子带隙中就会出现品质因子很高的缺陷态，有很高的念密度， 这样就增强了自发辐射，这种控制自发辐射的现象称为p u r c e l l 效应l l 3 。 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 图1 2 光子禁带对自发辐射的影响 ( a ) 自由空间中( b ) 光子晶体中( c ) 有缺陷的光子晶体中 f i g 1 - 2t h er e l a t i o nb e t w e e np b ga n da t o ms p o n t a n e o u sr a d i a t i o n ( a ) f r e es p a c e ，( b ) i nt h ep h o t o n i cc r y s t a l ，( c ) i nt h ep h o t o n i cc r y s t a lw i t hd e f e c t 1 2 3 光子局域 光子晶体的另一个主要特征是可以实现光子局域，在1 9 8 7 年j o h n 提 出：在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格中，光子呈现出很强的 局域，称为a d d e r s o n 局域1 1 4 j 。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷 频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置【1 5 1 ，一旦偏离缺陷位置处，光就将迅 速衰减。光子局域态的形状和特性由缺陷的属性来决定：点缺陷就像被全反射 墙包围起来，可以将光“俘获”在特定的位置，光无法从这个位置向任何方向传 播，形成一个光能量密度的共振场相当于微腔；线缺陷则类似于波导，光 只能沿着线缺陷的方向传播；平面缺陷就像一个完善的反射镜，光被局域在缺 陷平面上。1 9 9 1 年，s l m c c a l l 等人首次在二维光子晶体中观察到这种局域现 象【l 酬，香港科技大学的z h a n g r 7 】等观察了三维波导网络中的电磁波的局域化现 象。 1 3 光子晶体的应用 由于光子晶体的优异特性，人们对光子晶体的研究越来越多，随着对光子 晶体理论研究的深入和对光子晶体的制作工艺和制作方法的完善，光子晶体的 应用和器件研究也越来越多。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学 器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质 因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积 极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极 6 青岛科技大学研究生学位论文 管等。光子晶体的出现使信息处理技术的”全光子化”和光子技术的微型化与集 成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半 导体技术相提并论。 1 3 1 光子晶体光纤 传统的光纤是根据全内反射机制传导光，因此它要求光纤的纤芯必须具有高 于包层的折射率，通常为了提高其折射系数，经常采用掺杂的办法以增加传输效 率。但不同的掺杂物只能对特定的一种频率的光有效。光子晶体光纤( p c f ) 是 一种空气孔在s i 0 2 中的二维周期排列结构，光纤芯层是在周期结构中引入线缺陷， 光被局域在线缺陷位置，能够高效率的沿设定方向传输【1 8 1 9 】。r u s s e l l 等人最早提 出了光子晶体光纤1 2 0 l ，它是一种带有缺陷的二维光子晶体。k n i g h tjc n 作了一种 p b g 光纠2 1 1 ，在s i 空气孔二维周期结构中心内部，引入一个较大的空气孔，该孔 就是导光通道，光波可以在其中无损耗的传播。光子晶体光纤和普通光纤相比， 具有无截止单模特性、超大数值孔径、独特的色散性和超连续光谱等特性 2 2 , 2 3 1 。 已有的研究表明光子晶体光纤在色散补偿、高灵敏度光谱分析、高功率传输、短 波长光孤子传输以及传感器等方面有着极其美好的应用前景。 1 3 2 光子晶体滤波器 与传统的滤波器相比，光子晶体具有优良的滤波性能阱2 5 1 。因为光子晶体 具有光子禁带，频率在禁带区内的光子不能存在于光子晶体中，所以它本身就 是一个自然的带阻滤波器。而且利用光子晶体的宽禁带特性可以制作宽带带阻 滤波器，可实现大范围的滤波作用；此外，若在光子晶体中引入比光子晶体晶 格空穴略小或略大的空穴，这些空穴在光子带隙中会造成很窄的缺陷模，即以 很窄的波长范围发射激光，从而获得可调节带宽的极窄带选频滤波器。此波长 范围与微腔直径和原有晶格空穴直径的比有关。若使光子晶体形成非寻常形状 的晶格还可使线宽进一步压窄，可以制成可调节带宽的极窄带选频滤波器【堋。 s n a d a 等人阳在直波导附近引入不同的点缺陷，将光子禁带中不同频率的光垂 直发射出来，得到具有高度选择性的光学滤波器。由于光子晶体都是使用对光 波几乎没有损耗的介质材料制成的，所以通过的波段光波的损耗非常小。 1 3 3 高性能反射镜、偏振片和超棱镜等光学器件 在光子晶体中不允许光子禁带频率范围内的光子存在，当此频率范围内的 光入射到光子晶体上时，就会被全反射。而且金属对光波的损耗很大，而介质 7 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 对光波的吸收损耗非常小，利用这些特点可以制造出高效率的反射镜，如一维 光子晶体全方位反射镜四】。高性能的反射镜在现实中有很重要的应用价值，以 光子晶体为基底制成的微波天线【2 9 1 ，迈出了光子晶体实际应用的第一步。 光子晶体对不同模式的波，禁带的分布不同，对于同一频率但模式不同的 入射波，既可能反射也可能入射，利用这种差异可以制作光子晶体偏振片。光 子晶体制作的偏振片弥补了传统偏振片工作频段窄、对入射角度要求高的不足。 由于棱镜对不同波长光的折射率不同，但光入射到光子晶体时，对于不同 频率的光偏离的角度不同，由此可制作光子晶体超棱镜把各种波长的光在空间 上区分开。与对波长敏感性不高的普通棱镜相比，光子晶体的超棱镜的有效折 射率变化可达到2 0 1 3 0 1 。 1 3 4 高效率发光二极管 发光二极管在光通信系统中起着关键性作用。传统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反射，大部分的光被损耗而不能有效地耦合出 去，从而使得二极管的光辐射效率很低。若将发光二极管的发光中心放入特制的 光子晶体中，并让发光中心的自发辐射频率与光子晶体的光子频率禁带重合，则发 光中心发出的光就不会进入包围它的光子晶体中，而会沿着特定的方向辐射到外 面去，从而提高了发光二极管的效率【3 1 】。 在光子晶体内引入点缺陷产生谐振微腔，可以抑制和增强光子晶体的自发 辐射f 3 2 】。由于这种特性可以增强某一频率模式的光辐射，但是抑制周围附近频 率模式的光，因此可以得单色性和方向性都很好的单模发光二极管【3 3 】。 1 3 5 低阈值激光器 在激光器中引入光子晶体可以实现低阈值激光震荡。在一块三维光子晶体的 光子禁带中引入缺陷，在其中放置工作物质，缺陷态构成一个波导，激光发出的 方向将沿此方向，而且自发辐射也只能沿此方向，即自发辐射与激光出射方向之 间的角度近于0 度。这样几乎所有的自发辐射都用来激发已实现粒子数反转分布 的激活介质而没有其它的损失。即泵浦的能量几乎全部用来产生激光，从而会使 激光震荡的阈值变的很低，提高了激光器的效率【蚓。 1 3 6 光子晶体谐振腔 光学微型谐振腔具有高品质因子，且尺寸与波长相纠3 5 弓7 】。微谐振腔是光 集成回路中的一个重要器件，但由于谐振腔的尺寸特别小，传统的方法制作困 8 青岛科技人学研究生学位论文 难，且品质因子低。而利用已有的光子晶体加工这种微腔很容易实现，且其品 质因数可以做得很高。在光子晶体中引入点缺陷，相当于光子晶体禁带中的某 些位置引入光子局域态。属于这些位置的光场被限制在非常小的点缺陷中，并 且呈指数性衰减。光子晶体微腔可以在非常窄的频率内局域光，并且几乎没有 任何能量损失。因此，光子晶体微腔的品质因数q 可以达到很高的值【3 8 - 4 0 l 。1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t c he 等人在三维光子晶体中制作了一个点缺陷，得到了第一个光 子晶体微腔。，j o h n s o nsg 等研究了无完全光子带隙时高q 谐振腔多极补偿机 理【3 7 1 。这种微腔都具有很高的q 值，一般q 1 0 3 ，甚至可达1 0 1 0 。最近日本的 t t a n a b e 等人报道了他们得到最高1 2 0 万q 的光子晶体微膨4 。 1 4 光子晶体的制作研究 在光子晶体理论提出后，随着对光子晶体特性的进一步研究，光子晶体将 有更加广阔的应用前景，这就需要制作出高性能、低价格、大面积的光子晶体 来满足产业化的需要。目前制备光子晶体的方法总起来可主要概括为以下几种： 精密加工技术【4 2 l 、逐层叠加方法【4 3 , 4 4 1 、胶体自排法【4 5 , 4 6 l 、离子束刻蚀m 、激光 直写技术 4 8 , 4 9 和全息光刻技术【5 0 , 5 1 1 。 1 4 1 精密机械加工法 精密机械加工法是早期制作光子晶体的一种方法，通过在基体材料上钻孔， 利用空气与基体材料的折射率差来获得光子晶体。1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t c h 研究 小组利用这种方法制造出了第一块具有完全光子禁带的三维光子晶体f 5 2 】。由于 精密机械加工技术只能加工微波波段的光子晶体，对于更短波长的光子晶显得 无能为力，要实现从近红外到可见光波段的光子晶体，必须发展其他方法。 1 4 2 逐层叠加方法 逐层叠加法是由o z b a y 等人提出的 5 3 , 5 4 1 。这种方法制作的结构，也称为木 堆结构( w o o d p i l es t r u c t u r e ) 。是由一维等距排列的硅棒逐层叠加而成，层与层之 间的棒的取向是垂直的，次相邻层的棒相对于第一层平移1 2 棒间距。以四层 为一个重复单元，这样就组成了所谓的面心立方结构。u n 等人结合外延生长 法等技术制作出了带隙位于红外波段的木堆结构光子晶体【5 5 1 ，同时降低了逐层 叠加方法的技术要求。逐层叠加技术要求非常高，成本昂贵，并且制备的样品 层数少。 9 激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究 1 4 3 胶体自排法 胶体自组装是制作规则排列的三维结构的有效方法1 5 6 1 。胶体颗粒自排法就 是悬浮于液体中的大小为微米或亚微米的胶体颗粒在颗粒间的非共价键相互作 用下从无序到有序排列，形成一个相对稳定的结构( 通常是长程有序) 。自组装 技术的关键是，排列形成的最终结构接近或是处在热力学稳定状态【5 7 】。因此制 作出的结构与非自组装的体系相比通常缺陷较少。所得到的最终结构通常是由 胶体颗粒的特性决定，这些特性包括胶体颗粒的形状、拓扑学、表面官能度。 自组装方法具有制作工艺简单，易于制备，适合大规模生产。不过它也有自身的 一些缺点，如折射率比小，机械强度较低等。 1 4 4 直写技术 直写技术是一种新兴的光学元件加工方法，包括激光直写【5 驴引、电子束直 写唧，6 1 】、聚焦离子束直写盼删等几种方法。电子束直写技术是利用电子束直接 对涂布在基片表面的抗蚀剂曝光，通过控制电子束逐点的扫描曝光剂量将所要 制作的轮廓分布表现出来，显影和刻蚀后在基片上得到连续表面轮廓。电子束 方法制作精度高，但是需要复杂和昂贵的设备。激光直写技术利用计算机控制 高精度激光束扫描，在感光树脂上直接曝光刻写所设计的任意图形。选择的激 光频率要低于感光树脂单光子聚合的阈值，并且要精细控制光的强度，防止未 聚焦区域的感光树脂聚合。激光直写技术很方便的在感光树脂中制作缺陷，但 是通过逐点扫描制作结构非常耗时，只能制作小尺寸样品。 1 4 5 激光全息法微制作 激光全息光刻技术是利用多束相干激光汇聚干涉形成空间全息图案，然后 用通过光与物质的相互作用，形成介质折射率在空间周期变化的有序结构。所 制作的结构周期常数与光波长量级相当，可获得的晶格结构多样灵活，不但可 以制作高质量的周期结构，它同样能开展制作大面积具有旋转对称性的、光波 长量级的准晶体。1 9 9 7 年，b e r g e r i 叫等人首次提出用激光全息光刻制作三维光 子晶体。研究表明，多光束干涉不仅可以形成周期点阵结构陋石7 1 ，还可以制作 具有旋转对称性的准周期点阵结构【毋7 1 1 。近几年，光刻技术因其灵活、高效等 优势，已成为研究制备光子晶体的一种有效方法。激光全息光刻技术进行微制 作的优点有：1 可制作不同的品格对称结构；2 晶格周期在光波长量级，而且 可调节；3 实验可操作性强，可批量生产；4 可灵活调节孔洞、介质占空比。 l o 青岛科技大学研究生学位论文 近年来，氩离子激光器产生的蓝绿可见激光被广泛的应用于激光全息光刻 微制作。在全息光刻制作中，可见激光与紫外激光相比，具有以下列优点【7 2 1 ： 其一，一般感光树脂对可见光的吸收比较弱，提高了可见光的量子效率，同时 可以忽略曝光时树脂吸收光造成的热效应；其二，还可以保障样品从表面到深 处曝光均匀，增加感光深度。另外，相比于紫外激光，可见激光对人体的伤害 较低，使得激光全息的研究危险系数大大降低；而且在搭建光路时，可见光相 对紫外激光容易调节光路。 我们实验采用的是氩离子激光器( o p e r a t o r sm a n u a ll n n o v a3 0 0 c