（光学专业论文）光场相位控制技术及其应用.pdf

光场相位控制技术及其应用 学位申请人：谢向生 指导教师： 专业名称： 周建英教授 光学 摘要 2 0 世纪最伟大的发明之一是半导体技术，随之孕育而生的电子技术、大规模 集成电路、计算机、网络技术等已经成为人类口常生活的必需品。人们对信息的 容量、速度和质量的需求都在爆炸式的增加，使得半导体的瓶颈逐步显现。以光 子为操控对象的光子晶体成为了时下的研究热点。光集成电路、光网络和量子计 算机等也成为了下一代的信息化产品，承载着速度与容量的希望。 光予的精密操控还处于初步阶段，目前急需解决的关键问题是制备有效的光 子器件。由于光子精密操控的器件不可能一步到位制备，对光场的时空特性进行 操控，带功能性缺陷的光了器件的制备，以及光子器件的表征和测试等成为光子 操控研究的必经之路，本论文结合光场的相位控制技术研究其在上述方面的应用， 取得了一些新的结果，主要体现在： 1 、将空间光场的相位调节技术应用到近场扫描光学显微镜的探针透过效率 优化上，空间光场的相位调节能够改变光场在探针针尖的分布，通过对探针透过 功率的监视和优化，寻找出窄问光场的相位调节设置，从光学工程的技术方面寻 找探针透过效率优化的途径，也为光子器件的表征做好技术储备。 2 、设计了一个特殊镀膜的三棱镜代替复合器件光路，实现非共线双光束的 相位锁定和可调，实现空间光场纳米级操控。进一步，本论文进行j 光束相位锁 定和控制，设计两种方案对三光束的六角格子进行锁定，其中自行设计了一个斩 波器，对三光束进行时分复用两两选通锁定，使得光路设计紧凑，锁定效果较佳。 i x 本论文展示光场相位技术在光场操控中的应用，设计共面三光束干涉，通过相位 调节，实现干涉周期的变化，作用到光折变材料如液晶等，能够导致器空间光栅 的周期变化，从而能够控制通过材料的光束的衍射行为，制作相控全光开关。 3 、引进纯相位液晶空间光调制技术，设计和制作了一款纯相位液晶空间光 调制器及其驱动电路，利用该调制器进行更多束光的干涉，设计和制备了一维线 缺陷和二维波导结构的微米器件。本论文讨论了全息制备中光场合成的逆向问题， 从光子晶体的结构出发，采用自适应的自寻找设计方法，根据目标光场寻找出所 对应的子光束特性设计，从而将快速寻找到二维点缺陷，w 型波导结构，并进行 全息制备。 4 、借助光场相位技术在飞秒相干动力学研究的经验，实现对光场相位的时 间域锁定，参考p a n c h a r a t n a m 相位稳定系统，采用多个器件协调工作的方式拓 展其扫描行程至厘米级，研制出扫描稳定的傅立叶变化光谱仪并将其应用于飞秒 激发材料精细能级结构分析，测试了稀土材料n d ：y v o 。的透射光光谱。 关键词：光场相位，光子晶体，相干控制 x l i g h tf i e l dp h a s ec o n t r o lt e c h n i q u e sa n d a p p l i c a i t o n s a u t h o r ：x i a n g s h e n gx i e a d v i s o r ：j i a n y i n gz h o u ( p r o f e s s o r ) m a j o r ： o p t i c s a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ti n v e n t i o n si nt h e2 0 t hc e n t u r y , f o l l o w e d b ye l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , l a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ，c o m p u t e ra n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , w h i c hh a v eb e c o m ed a i l yl i f en e c e s s i t i e sf o rt h eh u m a nb e i n g t h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rt h ee x p l o s i v ei n f o r m a t i o nm a k es e m i c o n d u c t o rb e c o m e ab o t t l e n e c kw i t hl i m i t e dc a p a c i t y , s p e e da n dl o wq u a l i t y p h o t o n i cc r y s t a l st h a t m a n i p u l a t ep h o t o n si n s t e a do fe l e c t r o n sc o u l do u t p e r f o r mt h ee l e c t r o n i c c o u n t e r p a r t si fl i g h tf l o wc a nb ec o n t r o l l e da tw i l l o p t i c i c a li n t e g r a t e dc i r c u i t ，l i g h t i n t e r n e ta n dq u a n t u mc o m p u t e rw o u l db et h en e x tg e n e r a t i o np r o d u c t sw i t ht h e h o p eo fr a p i di n c r e a s ei nt h es p e e da n dc a p a c i t y t h ef a b r i c a t i o no f f u n c t i o n a lp h o t o n i cd e v i c e sb e c o m e sak e yi s s u ei nt h ep r e l i m i n a r y s t a g eo fw i l l e dl i g h tc o n t r 0 1 s ob e f o r et h em a t u r a t i o no ff a b r i c a t i o nt e c h n i q u e | s e v e r a ls u b s e c t i o n sa n ds u b t e c h n i q u e ss h o u l db ed e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h e t e m p o r a l s p a t i a lm a n i p u l a t i o no ft h el i g h tf i e l d ，t h ef a b r i c a t i o no f f u n c t i o n a l p h o t o n i cc r y s t a lm o d u l ea n di t sc h a r a c t e r i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，w ec o m b i n et h e r e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h ep h a s ec o n t r o lo fl i g h tf i e l dw i t ht h ea b o v es u b s e c t i o n s a n ds u b t e c h n i q u e s t h er e s u l t sm a d ei nt h i sp a r ta r el i s t e da sf o l l o w s 1 ，w ei n t r o d u c ef i r s t l yas l mi n t oac o m m e r c i a ln e a r f i e l ds c a n n i n go p t i c a l x l m i c r o s c o p e ( n s o m ) f o rt h ew a v e f r o n tc o n s t r u c t i o na n di n t e r f e r e n c ee n h a n c e m e n t o ft h el a s e rb e a mb e f o r ef o c u s i n gi n t ot h en e a r - f i e l dp r o b e t h ea b i l i t i e so fs l mt o m o d u l a t et h ep h a s e ，i n t e n s i t y , p o l a r i z a t i o n ，o rd i r e c t i o no fa ni n c i d e n tl i g h ts h o wa s i g no fc o n t r o l l i n gt h el i g h tf i e l dd i s t r i b u t i o ni n s i d ea n do u t s i d ean e a r f i e l dp r o b e b y u s i n gas e l f - a d p t i v ec o n t r o ls o f t w a r e ，2 3t i m e se n h a n c e m e n tf o rt h en s o m t r a n s m i s s i o ni sa c h i e v e dw i t h o u tp r i o rk n o w l e d g eo nt h ew a v e f r o n t t h i si san o v e l w a yt oo p t i m i z et h et r a n s m i s s i o no ft h en s o ma n da l s oap r e t e c h n i q u ef o rt h e c h a r a c t er z a t i o no fp h o t o n i cd e v i c e s 2 ，w ed e s i g nas p e c i a lc o a t e dp r i s mt or e a r r a n g et h et w on o n c o l l i n e a rl a s e rb e a m s i n t oc o l l i n e a rp a i r , d e t e c ta n ds t a b l i z et h e i ri n t e r f e r e n c ew i t ht h ec o n t r o lo ft h e i r p h a s ed i f f e r e n c e i nt h es a m ew a y , w ed e s i g nt w os e t u p sf o rt h r e eb e a m s a n ds h o w t h ea p p l i c a t i o no fs u c hp h a s ec o n t r o lt e c h i q u et om a n i p u l a t eao p t i c a ls w i t c h 3 ，w ed e s i g na n df a b r i c a t eap h a s e o n l yl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) ， a n di n t r o d u c ei ti n t ot h eh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h yp r o c e s s al i n e - d e f e c ti nb r a g g s t r u c t u r ea n de m b e d d e dw a v e g u i d e si nt w od i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a la r e f a b r i c a t e d i nt h eo t h e rw a y , w et r yt oo b t a i nt h er e q u i r el i g h tf i e l dd i s t r i b u t i o n w i t h o u tp r i o rk n o w l e d g eo nt h ep h a s ev a l u e so ft h em u l t i p l eb e a m s a p r o g r a m m a b l es l ma n das e l fa d a p t i v ea n n e a l i n ga l g o r i t h ma r ea p p l i e da sf e e d b a c k c o n t r o lt ot h ep h a s ev a l u e s , a n dd o t d e f e c ta n dw - s h a p ew a v e g u i d ei n2 dp h o n t o n i c c r y s t a la r ef a b r i c a t e dw i t hao n e - s t e pe x p o s u r el i t h o g r a p h i ct e c h n i q u e 4 、w er e a l i z et h ep h a s el o c ko ft h el i g h tf i e l di nt h et i m ed o m a i nw i t ht h eh e l po ft h e t e c h n i q u ei nf e m t o s e c o n dc o h e r e n td y n a m i c s m o r e o v e r , w eu s e dan e wc o n t r o l m e t h o dt oa c c o m m o d a t em u l t i p l ed e v i c e si nt h ep a n c h a r a t n a ms y s t e m ，r e s u l ti na o v e r1 0c e n t i m e t e r r a n g ec o n t i n u o u ss c a n n i n gw i t hac o n s t a n ts p e e d t h i s a m e l i o r a t e dp a n c h a r a t n a ms y s t e mi sa p p l i e dt os t a b l i z et h et h es c a n n i n gs p e e do fa f o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o s c o p e ，a n daf i n es p e c t r u mo far a r e e a r t hm a t e r i a ln d ： y v 0 4i sd e t e c t e d k e yw o r d s ：p h a s e ，l i g h tf i e l d ，p h o t o n i cc r y s t a l ，c o h e r e n c ec o n t r 0 1 x 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 确闩? 日期：k 口年5 月 多日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：习才同鼍 日期：p 年歹月日 导师始周迫芎 日期：力o 0 年歹月7 ，日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请 专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得 以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 砷同2 日期：影f 。年箩月2 日 第一章引言 激光以其高强度、高方向性、高单色性和高相干性，成为距离测量的重要工 具。相位因子一直是激光作为一个相干光源的重要参数，随着超快激光技术的发 展，激光光场相位技术成为一项基本而重要的技术，基于超短激光脉冲的相位扫 描的相干控制 1 ，2 已成为在微观水平上实现化学、物理过程控制及进行探测研 究的重要手段。在大的变化范围内实现超快激光脉冲对的栩位锁定与控制，对于 相干光谱分析 3 ，4 、傅氏光谱仪 5 等技术的发展都有重要意义。此外，利用 光场的相位相干，光子晶体全息印刷术成为一种光子晶体制备的重要方法。光子 晶体是折射率在光波长的尺度上成周期分布的一种人工材料 6 ，7 。光子晶体 的各种新颖的现象和奇特的性质使它被广泛应用于制作各种光子器件，例如滤光 片、光波导和共振腔等。光子晶体的激光全息技术( h o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y ) 微加工制作方法以其耗时短、工艺简单等优点受到人们的普遍关注。用激光全息 技术直接制作出符合应用要求的对应晶面是光子晶体的激光全息制作术重要内 容，根据全息理论，通过改变激光束的光束数、传播方向、光强比和偏振，可以产 生许多不同的一维、二维和三维周期格阵光强分布。激光空问干涉光场形成的这 种周期格阵光强分布被称为光学晶格，结合光聚合技术，可以得到不同光学晶格 的周期结构。对于光场相位控制的技术开发和应用研究，既可以操控激光脉冲， 特别是飞秒激光脉冲的时空特性，又可以深入研究功能性光子器件的制备技术， 是进一一步光子器件中超短激光脉冲操控行为的重要研究工具。 第一节时间域相位锁定技术 光的干涉现象 光的干涉现象，最简单的情况就是双光束干涉，如图l1 所示两束扣干激 光咀2o 的夹角在空问重叠时( 图中菱形区域) ，重叠区域将形成周期为 d = z i2s i np 的干涉条纹，如果其中一束光有一个尹的相位移动( 假设另一 柬光不动) 空间干涉条纹将随之平移当p = z 时，条纹将平移个周期d 。扣 位的移动是由该激光路径( 光程) 变化而引起的。 基于这样简尊的模型，职光束干涉有两种广泛的基奉应用： ：奠令 圈l l 取光束干涉原理 1 、 当两光束共线时，日极小( 等于0 ) 十涉条纹周期dq r 以达到毫米 量级以上的尺寸用点探头或c c d 都可以探测两柬光相位筹相对的移动， 在计量上，基于麦克尔逊干涉仅的檄光干涉法可以测量物体长度。在形貌 分析上光学轮廓仪基于干涉条纹的分布，可咀分析样品的表面糙糙度和 形貌等。 2 、 当两束激光非其线时o 较大，干涉条纹d 是波长量级的可以用 于微纳加工，如集成屯路生产的光刻技术、科研中的光于晶体全息制备技 术；也可以用于成像，如争息成像和存储等。 麦克尔逊干涉仪的锁定 时间域相位锁定技术是在飞秒脉冲激光器诞巾后新兴的一项技术；基干脉冲 第一章引言 对的相位扫描，化学相干控制 8 ，9 、相干动力学研究获得了1 9 9 9 年的诺贝尔化 学奖，成为物理、化学、生物等不同学科分支的重要技术；基于飞秒激光脉冲的 频率域锁定 1 0 ，飞秒光梳实现了高精度的时间基准获得了2 0 0 5 年诺贝尔物理学 奖，在光谱学和精密测量领域渐渐成为不可缺少的科研工具；基于对飞秒激光脉 冲的频率相位调制 1 l ，1 2 ，将超短激光脉冲在空间色散后，调节其不同频率的 相位，可以实现脉冲整形，与其相关的脉冲压缩、化学过程优化控制等已经成为 新的研究和应用热点。 化学相干控制技术一个简单而被广泛采用的方案就是利用具有确定相位差 的激光脉冲对相继对样品进行相干作用。脉冲对通常由麦克尔逊干涉仪得到。在 利用脉冲对技术进行相位控制的过程中，由于通常的实验室条件下会存在温度漂 移、系统元器件振动、甚至系统周围空气的扰动等各种影响，从而造成相位差不 稳定，所以有必要控制激光脉冲对的稳定。早在1 9 8 9 年s l i 1 3 等人便进行了 基于麦克尔逊干涉仪的相位锁定研究，如图1 2 所示。一束激光被麦克尔逊干涉 仪分成两束激光后又共线重叠在一起，其中一束激光通过的光程固定，由m 2 镜片 决定，另一束被压电陶瓷驱动，可以改变相位。通过探测器( d e t e c t o r ) 探测干 涉条纹的移动，反馈控制压电陶瓷的输出，保持通过麦克尔逊干涉仪两臂的激光 相位差锁定。控制结果如图1 3 所示： “t p u t 扭 轴囊街s p l i c 誊e r h a l f r e m i n o r l i i l 批 图1 2 麦克尔逊干涉仪两臂的相位锁定光路图 t e r _ c 乞o 产 3 第一章引言 图1 3 麦克尔逊干涉仪两臂的相位锁定 用点探头置于干涉条纹之间，点探头位置固定，当麦克尔逊干涉仪两臂相位 差变化时，条纹发生移动，点探头可以探测出移动值，上图为没有加锁定时，外 界环境造成的相位差漂移，下图为锁定后，相位差基本稳定。 王自鑫 1 4 博士也完成了超大行程纳米精度定位控制系统的研制，该系统是 基于麦克尔逊干涉仪的相位锁定，其锁定结果如图1 4 ，效果明显优于s l i 的。 4 1 d 誊 歪0 5 c 誊 n c 磐 呈 5051 0 5 2 5 t i m ed e l a y 图1 4 王自鑫博士的相位锁定 第一章引言 三、p a n c h a r a t n a m 相位稳定技术系统 15 1 9 9 7 ，m u w e h n e r 等人实现了p a n c h a r a t n a m 相位稳定技术，如图1 5 所示， 在普通的麦克尔逊干涉仪中加入入4 波片、入2 波片和检偏镜，探测器探测到 的条纹位置便能反映麦克尔逊干涉仪两臂相位差艿同检偏镜取向角缈的关系： 7 = 吉( 巨一e 2 ) 2 + 2e i 丘c o s 2 ( 孝一缈+ 三) ( 1 1 ) 其中e 。、e ：为两束光的电场强度。由此进行相位光强锁定时，余弦函数里面的 项是个常数，检偏镜取向角能够决定麦克尔逊干涉仪两臂的相位差，也就是可以 调节移动臂的位置。 图1 5p a n c h a r a t n a m 相位稳定技术系统 r 但是，m u w e h n e r 的工作仅仅基于压电陶瓷对相位差进行改变，改变的行 程只能达到l o o u m ( 当时压电陶瓷的行程) 。王自鑫博士通过将压电陶瓷同步进马 达的结合，将行程扩展至2 厘米。具体工作方式是当压电陶瓷运动至行程满时， 步进马达反方向补偿压电陶瓷，使其处于行程最小状态，然后压电陶瓷可以继续 进行相位锁定。 第二节空间域相位控制技术 干涉光刻中的相位锁定 5 第一章引言 滥萋i i l il i 饿幽 第一章引言 图1 8m i t 的扫描光束t 涉光刻技术系统原理图 如图1 8 所示，p z k o n k o l a 团队采用的非共线干涉光束的相位锁定方 法 1 8 ，是采用采样镜片( b e a mp i c k o f f s ) 选取曝光激光的。部分，使其重新 整合共线干涉形成干涉条纹，再用光电转换和电子差分处理反馈控制声光调制器 ( p h a s ed i s p l a c e m e n ta c t u a t o r ) ，保持两束激光相位差的锁定，减少干涉条纹 受剑的外界振动和噪声的影响。 二、纯相位空间光调制技术 空间光调制技术是一门综合性很强的技术，通常表现为运用各种手段对光波 在空间一卜的f 冬播状态进行各种加工和处理，它的应用极为广泛。现成的空间光调 制器包括丌关式的动态多镜阵列( d m d ) ，偏振式的液晶空间光调制器 ( 1 i q u i d c r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , l c s l m ) 和其他形式的调制器，由于本论 文重点讲述多光束的相位锁定控制技术及其应用，不涉及波前修正、衍射成像、 数字伞息存储和数字光镊等其他技术，所以论文中只介绍纯相位窄问光调制技 术。 纯相位窄间光渊制器最常用的就是向列相液品，当液晶分子同激光的偏振方 向相同时，利用加载在液晶上的电压不同，液晶的分子将发生不同的倾斜，导致 折射率的不同凋捌，从而影响入射光的光程及相位。由于液品分子前后均为平行 排列，分子的倾斜彳i 会改变入射光的偏振方向，从而起到了纯相位调制的作用。 7 *$* 图l9 纯相位空问光调制器的原理图和实物图 市场上常见的纯相位液晶空间光调制器大多是视屏图形阵列( v g a ) 和交互 式数字视屏系统d v i 格式的，分辨率为百万像素( 1 0 2 4 7 6 8 或者1 2 8 0 i 0 2 4 等) ， 像素点大小i 微米量级。另外一种常见的纯相位液晶空问光调制器是线性的调制 器，它是飞秒激光脉冲整形的最常规工具。 空问条纹的稳定和控制技术，在工业化生产中有着广泛的应用，它可能也是 将来光子晶体全息制各法走向生产的必由之踌。稳定的罔案更高的光刻质量， 克服外界环境干扰的能力，只有县备了这样的条件，全息制各技术爿能真正走出 实验窜，进行t 业化生产，进一步走进人们的生活。 第二节光子微结构的全息制备技术 光子晶体的特征与应用 光于晶体( p h o t o n l cc r y s t a l ) 19 指能对光作出反应的特殊晶格，它同时 第一 言 又是指能够影响光f 运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子 行为的影响， 光于晶体是在1 9 8 7 年由8j o h n 6 和ey a b l o n o v i t c h 7 分别独立提出，是 由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常教存在空间上的 周期性，能够引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化刷期 与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构此即光子能带结构( p h o t o n i c b a n ds t r u c t u r e s ) 。能带结构中被禁止的频率区间称为“光子频率带隙” ( p h o t o n i cb a n dg a p p b g ) ，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。 我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光于晶体。特别需要指出 的是介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光于晶体 和二维光子晶体中，也有可能出现全方位豹i 维带隙结构。光子晶体在新的纳米 拄术、光计算机、芯h 等领域有广泛的应用前景。使用光了晶体制造的光7 晶体 光纤也有比传统光纤更好的传输特性，可咀进而应用到通信、生物等诸多前沿 和交义领域。 圈11 0 为优化的y a b l o n o v i t c h 三维光子晶体结构 2 0 ，图1i i 为其带隙 图。该圈说叫优化的y a b l o n o v i t c h 结构具有全光带隙，也就是落在带隙内的光 子不能在谚结构的任何方向传播。当所制备的微纳光子器件具有各种光子晶体结 构组合时，该光子器件能够实现对光子的方向波长等的控制，能够像电子器件 一样操挣光子。 圈il o ：优化的y a b l o n o v i t c h 结构，ek - 。f l l9 ，e ，f 1 填充比徽孔 半径r 一= o3 3 2 a l 岫空的填充比为7 8 。 第一言 庐 哭 汐蕊侈g镧乡簦 多 弋行弋 0 弋 7 慕 夕 斟11 l ； 幽11 0 结构对应的带隙崩，完伞带隙的中心为o3 9 ，占整个光 谱宽度的1 69 二、 光子微结构的制各技术 光子微结构韵制各技术目前主要有5 种，这几种方法各有优缺点： 1 、半导体制备技术：借鉴十现有的半导体制备技术，通过掺杂、注八、光 刻、腐蚀等工艺程序能够制备微纳尺度的光子微纳结构，包括一维、 二维和兰维的结构。如图l1 2 所示，采用电，束或紫外光刻的办法制备 层一维的周期结构( 光栅) ，通过干法刻蚀将结构转移到衬底h 2 1 2 2 ，然后通过高温层秘进一步层秘衬底材料，循环转移t 艺便训以制 各三维光于晶体结构( 木堆积结构) 。半导体制备技术可以制缶各种任意 的基本结构，但是缺点也非常明显，由于程序复杂，部分工艺价格昂贵 包括单层的模板的制备往往采用电于束刻蚀的方法，耗时长价格昂贵。 在制备三维光子微结构中，对层与层之间的容差要求很高。在工艺上很 难准确控制。 啪附憎哪哺哳砌m呲哪 第一章引言 围11 2 ：半导体光刻逐层制备术堆积结构 2 、激光直写技术：逐点扫描制备法包括半导体制备技术中的r 乜子束刻蚀、 离子束刻蚀和激光直写技术等，其l | 电子柬和离子柬刻蚀法只能够制鲁 二维的结构，激光直写法能够制备j ：维的结构，如图i _ 1 3 2 3 。激光直写 技术的制作过程是通过高倍数物镜将超短脉冲激光聚焦到材料内部，通 过双光子聚台( 咻p i l o t o np o l y m e r i z a t i o n ，t p p ) 作用，在焦点晟大光强 处的光刻胶材料会感受到激光作用而聚合从而完成焦点处的刻蚀。使 用谚力法在光刻胶三维空间内逐点臻光，最后形成所需的三维结构。由 于采用逛点加工的原理，这种方法适台于制备任意形状的三维微纳结构 【2 4 ，2 5 】( 如罔17 ) 。但是该方法存在制备时问长，成奉高，可制备体 积小等缺点。同时由于采用的材料是折射率较低的光刻胺，因此如要实 现全光带隙还需要使用化学汽相沉积( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，c v d ) 等方法进一步持硅等高折射率材料填入结构中再去除原有光刻腔形成 反演( i n v e r s e ) 结构 2 6 ，2 7 。 隔 图11 3 ：激光直写法制蔷三维光于晶体。( a ) 4 0 层的木堆秘结构 2 3 ，其l 卜l 凹 削围的墙用于防止聚合物聚合过程中的收缩。( b ) 侧向( c ) 顶向放大视图。 3 、自组织生k 技术：是利用悬浮在液体中的胶体微小球会因相互作用力自 动排列成面心立方结构的原理制作三维光子晶体，这种光子品体又称为 蛋白石( o p a d 光子晶体。从原理上讲，白组织生长技术能够制备简单便 宜的太面积蛋白石模板 2 8 ，2 9 ，但是无论小球的折射率多高都不口r 能 有完全的带隙h 现 3 0 ，必须通过用高折射牢材料进行反演 3 t 。 图11 4电镜图( a ) 自纽织蛋白石( b ) 及其反演结构 4 、仝息光刻技术：接下来将详细介绍。 5 、多技术的组合：采用自组织或者全息光刻技术制作大【面积的结构，再用 激光直写方法或其他刻蚀方法制备缺陷结构。 3 2 3 3 * 一4 言 ： 一： ：t t ： _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 一_ - - - _ - ( j ：、：i ：。：i ：? ：1 ：i ：潲7 一t t ：+ ：+ 一 ，+ + ，t ，1 + t + ， a i “ + - + ：+ + 4 - + _ f b ， 图l15 ( a ) 使用激光直写技术制并反演蛋白右结构中的功能性缺陷的流程图 2 3 。( b ) 实验j 。使心该技术制蔷的渡导结构的截面图。 三、全息制各技术 仝息制蔷技术足利用激光的干涉衔射原理，形成空间微纳尺度分布的光场结 构，冉对赌光材料进行曝光和后续处理从而制各微纳尺度光子器件。 基于多光束干涉的全息制备技术【3 4 得益于半导体干涉光捌( i n t e r f e r e n c e l i t h o g r a p h y ) 的技术基础( 全息激光技术、光聚台技术等) 。将简单的双光束干 涉进一步护展采用3 柬或者史多的光柬进行干涉光刻，通过调节每束光的方 向、偏振臂彤成各种结构的光f 品体，其优点是可制作再种基奉坩称结构、大面 积、无随机缺陷的三维光子晶体模板并且制各成本低f 3 5 1 。进一步，通过调节入 射光的相位叫以改变十涉的图案，从而可以设计和制各特殊结构的周期光了晶体 【3 6 ，3 7 】。 常规的多光柬干涉实验装置是用分光片一分为二，二分为四的方法，将单束 糍瀵 光分为多柬光然后通过光路设计使得多束光重叠时保持其相干性( 所经过 震 熏 的光程在激光的相十长度内) 。这种方法必然会受到外界各种噪声的严重十扰， 空间光场不稳定，样品制备质量不够高，特别是通过椰位进行调节空问光场的实 验更是撤难进行，在本小组研究作丌展之前来见此类丁作报道。为克服该 缺点，k a ms i n gw o n g 等人利用棱镜折射将光束分成需要的数量和角度进行样品 制备t 4 0 1 ( 如图11 7 ) 。 另外一种牟息制番技术是基于相位模板( p h a s em a s k ) 中的多光束衍射产生 的这种相位模板由成千上万个小至百纳米级单位元组成，每个单位元都需要精 确地调节相位，从而可以产生人为设4 1 衍射崮案【4 1 4 4 】，如图11 8 ( a ) 所示。 但是该模扳必须通过电子束刻蚀等复杂的方法制作，制作的模板只能用于制作一 种结构，制作的濉度和成本都很高，十是有人使用可制相位的液晶渊制器来代替 相位模板制作了准晶样品。这种技术可以制作任意形状的二维微纳结构【4 l 】，但 镕t j 只能制作体积很小的三维结构【4 2 】，周期达到数卜微米( 如图i1 8 ( b ) 所示) - - l i i i i i ii i i t - l j l ”_ t 。曩 一 。 鲻膏 献。芬罂 五， 图i 1 8 使用相位模板制并的( a ) 二维止方格子和三角格子光子晶体分束器( b ) 三维光子晶体。 综上所述，全鼠法以其制作周期性礅结构的高教、灵活和多样性的优势，并 且结合其所需的一次加工技术或者相位控制技术 4 5 4 9 ( 引入缺陷、填充高折 射半材料等) 的不断完善，已经成为制作徽结构的项重要技术不断的开拓创 新将会为各种馓结构的应用( 如光于晶体、特异材料、声子晶体、微流体器件等) 进行氪j 汉积累、提供技术支持和奠定实践幕础。利用现有的半导体光刻技术，全 息法已经有个很好的技术积累，如果全息法能在功能性缺陷引入，材料填充反 演或新型光刻材料上有所突破的请，全息法将会有一个广阔的丁业化前景。 全息法制各光子晶体的研究热潮在2 0 0 7 年后逐渐消退，这说明了常规的全息 制各法已经被研究的比较透彻，并种光束角度、偏振等组合已经都被尝试。我们 提出了争息法中的相位控制的方法，是以往容易被忽略的一项，结合更多光束和 复合光场的合成，全息制备图案将不再单一，图形设计在全息法制备中也变成可 能。 第四节本论文的主要工作 本论文描述的光场相位控制技术，是根多关键技术的基础，包括化学相干控 制、光钟、原子捕获，以及科研热点的光镊、全息存储、超短激光脉冲整形、化 学过程控制和优化等等。本论文完成的相位控制技术，是为下一步进行光于器件 第一章引言 中超短激光脉冲的操控研究做准备的：其中近场扫描光学显微优化可以加快近场 制备速度和监控光子器件的光场分布；空间域锁定的光场操控，可以操控飞秒脉 冲同光子器件的位置耦合；自适应全息印刷术可以用于光子器件的制备：时间域 锁定可以应用于傅立叶光谱仪的稳定扫描和飞秒相干过程控制，可以用于光子晶 体中超短脉冲的相位控制。 第二章将光场的相位控制技术应用到一个全新的领域一一近场扫描光学显 微镜的探针透过效率优化。采用纯相位的空间光调制器，主动调节进入探针尖端 的光场分布，探究光场分布同耦合透过效率之问的关系，通过对耦合透过光强的 监控和空间光场的相位调节，建立闭环控制回路，采用自适应算法实现对近场光 学显微镜耦合透过效率的优化。 第三章描述了光场相位的空问域锁定，主要是对多光束干涉的空间格子进行 锁定。本论文从非共线两束光形成的空间干涉光栅的相位锁定出发，设计了一个 特殊镀膜的三棱镜，采用此单个器件代替复合器件光路，实现非共线双光束的相 位锁定和可调，空间上可以纳米级移动条纹的位置。进一步，本论文进行三光束 相位锁定和控制，设计两种方案对三光束的六角格子进行锁定，其中自行设计了 一个斩波器，对三光束进行时分复用两两选通锁定，使得光路设计紧凑，锁定效 果较佳。如本章第二节所描述，空间域的相位锁定主要是应用于全息光刻，在实 现三光束的相位锁定和控制后，本论文描述了多光束相位调节技术在全息光刻技 术中的应用前景，利用相位控制中的干涉光场位置和结构可调，可以设计和制作 更复杂的全息光刻光子晶体结构。当多光束激光对称干涉时，空间光场的相位调 节能起到调节干涉图案结构的作用，以此为依据，本论文设计共面三光束干涉， 通过相位调节，实现干涉周期的变化，作用到光折变材料如液晶等，能够导致其 空间光栅的周期发生变化，从而能够控制通过材料的光束的衍射行为，制作相控 全光开关。 第四章介绍另外一种相位控制技术一一纯相位液晶空间光调制技术，论文描 述了该技术对多光束的光场相位调节及其在全息制备中的应用。本论文设计和制 作了一款纯相位液晶空间光调制器及其驱动电路，利用该调制器进行更多束光的 干涉，设计和制备了一维线缺陷和_ 维波导结构的微米器件。本论文讨论了全息 制备中光场合成的逆向问题，从光子晶体的结构出发，采用自适应的自寻找设计 第一章引言 方法，根据目标光场寻找出所对应的了光束特性设计，从而将快速寻找到二维点 缺陷，w 型波导结构，并进行全息制备。 第五章描述了光场相位的时间域锁定，主要是基于麦克尔逊干涉仪的装置， 实现两个激光脉冲在时间域上的相位调节。本论文从两束光共线传播出发，设计 光机电一体化系统，实现两光束的相位锁定，在此基础上拓展王自鑫博士的大行 程p a n c h a r a t n a m 相位稳定系统，采用多个器件协调工作的方式实现 p a n c h a r a t n a m 相位稳定的连续可调，行程扩展至厘米级。进一步以该相位稳定 系统为基础，设计相位稳定调节的傅立叶光谱仪，采用飞秒激光的自相关验证该 相位锁定系统的稳定性，并将其应用于飞秒激发光谱仪的研制，测试了稀土材料 n d ：y v 0 4 的透射光光谱。 1 7 第二章光场相位调节优化近场探针耦合透过 光场的相位控制技术在时问域方面已经应用于化学相干控制、飞秒光梳( 光 钟) 、脉冲压缩等，取得了巨大的成功。在空间域方面利用光聚焦后对粒予的局 域可应用于光镊、利用图像的参考干涉可用于全息存储、利用干涉形成周期条纹 可应用于干涉光刻等。能否利用相干空间光场同微纳尺度探针相互作用，实现对 光场的进一步局域呢? 近场扫描光学显微镜具有纳米级的探针尖端，利用光阑限制激光的传播行 为，可使其具有数十纳米量级的光学分辨率。但是数十纳米量级的探针光阑对波 长为数百纳米的激光有很强的局限性，抑制其透过效率，所以近场扫描光学显微 镜探针的分辨率( 光阑大小) 和透过效率是鱼与熊掌不可兼得的。科学家们不断 的在探针的形状上进行设计，分析激光耦合到探针尖端的光场分布情况，已经实 现了透过效率的提高。本论文寻求从光场相位调节的方法，去操控探针尖端的光 场分布，使得更多的激光能量能从探针光阑耦合透过。 第二二章光场相位调节优化近场探针耦合透过 第一节近场光学显微镜的发展背景 自从荷兰科学家a n t o n iv a nl e e u w e n h o e k 发明第一台光学显微镜，人类为提 高显微镜的分辨率进行了不懈的努力。光学显微镜的放大倍数也由最初的几倍发 展到上千倍。但是由于光的衍射效应，传统光学显微镜的分辨率极限只有光波波 长入的2 5 。而光学显微镜有着相当多的优点，对观测样品的限制极少，对样品 环境也无特殊要求，观察样品对样品不造成损伤。凶此，提高光学显微镜分辨率 有重大的意义。 1 9 2 8 年，英国的e h s y n g e 提出了一个新型显微镜的构想，【5 0 1 认为该显 微镜的分辨率极限可以达到0 0 1p m 甚至更好，这是一个突破分辨率衍射极限的 新型光学显微镜的大胆构想，其中己经完整的描述了当今近场光学显