二维正交全息光子晶体模板的制作和特性研究

1、云南大学学报（自然科学版），2010，32（S1）：233 237Journal of Yunnan University CN 531045/NISSN 02587971二维正交全息光子晶体模板的制作和特性研究12王本菊，蒲利春（1攀枝花学院材料工程系，四川攀枝花617000；2重庆理工大学光电信息学院，重庆400054）摘要：多光束全息曝光法制作周期性结构已有广泛应用，在已有报道中，主要采用四束以上光束同时曝光法制作光子晶体模板文章以全息干板制作光子晶体模板为研究目标，提出了用双光束多次暴光法制作光子晶体模板用一种折射率与玻璃基底折射率相匹配的粘合剂消除反射光对干涉图样的干扰，在实验室制备

2、了二维观察了光子晶体模板之反射光和透射光的衍射图像，分析了它正交全息光子晶体模板用激光束作入射光源，的光学特性探索了双光束多次暴光制作光子晶体模板的方法和制造技术关键词：光子晶体；光子晶体模板；激光全息技术；双光束干涉中图分类号：TN 256文献标识码：A 文章编号：02587971（2010）S1023305光子晶体是折射率在空间呈光波长数量级且周期变化的介电结构，被科学界和产业界称为“光半导“未来的半导体”，体”或是未来信息技术的核心2和John 提出光子晶体的概念以来，光子晶体引起了各国政府、学术机构以及高新技术产业界的高度重视美国、英国、欧共体和日本等纷纷投入巨资研究光子晶体，并开发它

3、的应用光子自Yablonovitch 1Science 晶体还是杂志在1998年底预计未来的六大研究热点之一激光全息术制作光子晶体分2步完成，一是利用激光全息刻写技术制作全息光子晶体模板，二是在全息光子晶体模板上填充高折射率的介电材料，通过反转技术制作具有光子禁带的光子晶体全息光子晶体模板研究、制作是光子晶体制作的核心，它主要考虑相干光的入射方向、波矢方向、偏振态、初相位、光束之间的夹角、光强比和介质折射率变化等是制备光子晶体的很有前途的方法之一，目前，多光束全息曝光法制参量对光子晶体的晶格结构影响，但在已有的研究报道中，主要采用4束以上光束即多光束同时曝光法制作光作周期性结构已有广泛应用，子

4、晶体模板463文章选用全息光栅的制作方法，针对光子晶体的晶格结构，以全息干板制作光子晶体模板为研究对象，提出了用双光束多次暴光法制作光子晶体模板用碳水化合物油把全息干板中没有药膜的面和一块斜劈形厚的玻璃砖粘合起来，消除反射光对干涉图样的干扰，在实验室制备了二维正交全息光子晶体模板用激光束作入射光源，观察了光子晶体模板之反射光和透射光的衍射图像，分析了它的光学特性111光子晶体模板制作的理论基础和结构分析激光全息记录法实现光子晶体模板的理论基础当几束相干光叠加时，相干区域会形成类似晶格结构的干涉图案，置于干涉场中的记录介质由于感光程度不同，使折射率产生周期性变化，形成光子晶体，其晶格结构由相干光

5、的光学参数、入射方向和介质折射率共同确定，简述如下设N 束相干光相干区域的电场分量为N 1E 0（r ）=E on e n =0i k n ·r ，（1）*收稿日期：20100701作者简介：王本菊（1964），女，副教授，主要从事大学物理教学及其研究234云南大学学报（自然科学版）第32卷（1）式中，k n 为波矢，r 为位置矢量电磁波在线性均匀介质中某一时刻代表第n 束光的振幅和偏振方向，的平均光强为N 1I （r ）E on ·E om e n ，m =1i （k n km ）·r ，i （k n km ）·r （2）（2）式可知，干涉图案的平移对

6、称性由傅里叶分量E om ·E om e 确定，即晶格格点和晶格结构的平移对称性分别由傅里叶分量系数E on ·E om 和波矢差（k n k m ）确定如果确定了相干光的入射方向和他们之间的夹角，并使得波矢差（k n k m ）满足设计制作的晶体倒格矢条件，干涉图样的光强极大点就是晶格格点，即得到激光全息记录法制作的光子晶体模板12二维光子晶体模板结构分析根据11分析，为了简化制作过程，突出制作方法，降低制作难度文“全息光栅”章设计双光束2次曝光法制作二维正交全息光子晶体模板第1次曝光设计，按图1拍摄的制7作方法曝光；第2次曝光设计，保持全息干板在原位置竖立方向不变，让它

7、在竖直面内绕y 轴转动90角（图2），重复第1次曝光过程，完成第2次曝光注意：前后2次曝光仅是全息干板绕定轴转动，不改变图1中其它光学仪器的位置图3是二维正交光子晶体模板模拟图，其结构分析如下）和物光（图3中经M 1的透全息光栅的制作要求参考光（图1中经M 1的反射光，以下简称“O 光”“R 光”）均为平行光，H 为全息干板射光，以下简称其入射光路如图1所示，其中，x ）和条纹间距z 计算第1次曝光光强I z （y 0，由（1）式得，U （y ，z ）R U 0（y ，z ）=A O （y ，z ）exp i k （z sin 0+y cos 0），=A R （y ，z ）exp i k （z

8、 sin R +y cos R ），（3）（3）式中，U O （y ，z ）和U R （y ，z ），A O （y ，z ）和A R （y ，z ），R 和0分别为O 光和R 光的光矢量、振幅、传播方向k 是波数在y 0处，与y 轴的夹角，全息干板z 方向的干涉场为：U z （y 0，z ）=A O （y 0，z ）exp i k （z sin 0）+A R （y 0，z ）exp i k （z sin R ），由（4）式得全息干板上的光强分布为：2I z （y 0，z ）=A 2kz （sin 0sin R ），0=A R +2A R A O cos （4）（5）由此可见，在全息干板上形成明

9、暗相间的条纹，明纹位置由kz （sin 0sin R ）=2m （m =0， 1， 2， 3）决定，它是一组与z 轴垂直的平行直线，条纹间距z 为：z =，sin 0sin R （6）（7）式可化简为（8）式8：采用对称光路时0=R ，z =/2sin 0=/2sin R ，I =4I 0cos 2x z ，D (（8）（8）式中，I 0是入射光束的强度，D 是干涉场宽度是O 光和R 光的波长，图1全息光栅拍摄光路图2参考光、物光平行入射示意图al light parallel incident Fig1Holographic grating filming optical Fig2The s

10、chematic view of the reference and the materi-第S1期王本菊等：二维正交全息光子晶体模板的制作和特性研究235x ）和条纹同理，让全息干板在竖直面内绕y 轴转动90 角，在x 方向上可计算第2次曝光光强I x （y 0，间距x 从上面的分析可知，光子晶体模板的结构特征量可由线性全息光栅明暗条纹公式计算，干涉图样是2个正交全息平面光栅图样的非相干叠加（图3）221二维光子晶体模板的制作实验仪器选用选用仪器：He Ne 激光器1台（红光：6328nm ），曝光定时器1台，平面反射镜2个、透反比为1 1的分束镜2个，扩束镜、准直镜各1个，白屏1个，干板支

11、架1个、光学平台1个，光具座、全息干板（注：模厚约）、显影液、定影液等8922光子晶体模板的制作和结构特征光子晶体模板与全息光栅的制作内容、过程基本相同我们在二维光子晶模板制备过程中解决的主要问题是：一是让全息干板与y 轴垂直，将光路系统搭建在充气防震、自动平衡的光学平台上二是在第1次与第2次曝光之间，引入辅助设计，顺利实现全息干板在y 轴上准确旋转90 而不产生其它影响，三是用碳水化合物油把全息干板中没有药膜的面和一块斜劈形厚的玻即用一种折射率与玻璃基底折射率相匹配的粘合济消除反射光对干涉图样的干扰璃砖粘合起来，我们制备的二维正交光子晶体模板其平面为2cm 2cm 的准正方形格子，厚度约为9

12、m 的柱状结构图4是它的表面电镜扫描放大1500倍后的平面图、其标尺长度为1m ，中心是放大10000倍的局部2条正交黑色线显示2次连续曝光得到的全息光栅条纹排列和旋转90 情况，在图4中，红色和绿色正方“原胞”从图4可以看出，形分别表示晶格生长的2种二维正交光子晶体模板表面是由2种近似理想的正“原胞”方形在空间无限地重复构成的，这些“原胞”的排列具有长程的准周期平移序和长程指向序图3与图4结构基本相同，即理论与实验结果相符较好图3二维正交光子晶体模板模拟图thogonal 图4二维正交光子晶模板表面扫描SEM 图thogonal scanning SEM Fig32d photonic cr

13、ystal templates simulation of or-Fig4Two dimensional photonic crystal templates or-331光子晶体模板的衍射图像和光学特性衍射图像观察为了更好地观察光子晶体的透射光和反射光衍射图像，把光子晶体分为16个小区域用He Ne 激光器为入射光源，分别照射光子晶体的16个小区域，在光栅后面（或在反射光方向）放置一个白屏，在白屏上观察光子晶体的衍射图像表1是用数码相机在白屏上拍摄并经反色和对比度处理后的光子晶体模板之透射光和反射光的衍射图像236云南大学学报（自然科学版）表1光子晶体模板的衍射图像第32卷Tab1Image

14、s of diffraction of the photonic crystal32光学特性由表1可以看出，光子晶体模板的圆孔衍射图像明显，其光学特性列于表2中4结论我们在深刻理解多光束全息曝光法制作周期性光子晶体结构理论和实验的基础上，重点关注了激光第S1期王本菊等：二维正交全息光子晶体模板的制作和特性研究表2光子晶体模板衍射图像的光学特性237Tab2The optical properties of the image diffraction in the photonic crystal透射光衍射图像（11）在0级衍射亮斑的周围有明显的2个土10级耀斑和两级衍射亮点；其它区域的衍射图像

15、相似，（12）、（13）、个土1级衍射亮点构成1个中心亮斑，（14）和（44）衍射图像的0、土1级衍射亮点连线取向在偏东北（或偏西南），其它区域的相关连线取向在除（44）外，其它区域的中心亮斑偏西北（或偏东南），外围有不规则和散乱分布的衍射亮点，且分布不同；（41）仅有0级衍射耀斑，同其它区域0级衍射耀斑相比，它特别明亮，面积大反射光衍射图像（11）和（12）、（13）、（14）有0级衍射亮斑，（11）左上角亮斑周围有不规则、散乱分布的亮点，（13）、（14）等3有1个次小亮斑，另外和（12）、个区域有1条沿西南方向的亮线；其它区域是0级面积大的耀斑，周围有不规则、散乱分布隐约衍射、（31）在

16、左上角有团次亮斑，（3可见的衍射亮点，（41）右上角有团3）和（34）在右边有团状次亮斑，次亮斑由于反色（红色反转为灰度），表2中，各区域的副衍射亮点及其分布在图片中若隐若现在不同时域干涉光栅的空间非线性叠加问题，提出了用双光束多次暴光法制作光子晶体模板的思想，并在实验室用此思想设计、制备了二维正交全息光子晶体模板探索了用双光束（非四束以上光束）多次暴光（非同时暴光）法制作光子晶体模板的方法和制造技术，为用激光全息技术制作二维大面积的光子晶体模板寻找了新的方向同时，在制备过程中，我们用一种折射率与玻璃基底折射率相匹配的粘合济消除反射光对干涉图样的干扰，并用激光束作入射光源，观察了光子晶体模板之

17、反射光和透射光的衍射图像，分析了它的光学特性参考文献：1YABLONOVITCH E ，GMITTER T J ，LEUNG K MPhotonic band structure ：the face centered cubic case employing non-J Phys Rev Lett ，1991，67（17）：2295-2298spherical atoms 2JOHNSON S A ，OLLIVIER P J ，MALLOUK T EOrdered mesoporous polymers of tunable pore size from colloidal silica te

18、m-plates J Science ，1999，283（5404）：963-9653汪河洲光子晶体的全息制作和器件机制研究J ，2007，44（5）：14激光与光电子学进展，4刘欢，J 物理学报，2006，55：2286-2292姚建全，李恩邦激光全息法制作二、三维光子晶体的模拟计算及禁带分析5王霞，J 物理学报，2006，55：5398-5402谭永炎准晶结构的激光全息人工制作6钟永春，J 物理学报，2006，55：688-691朱少安，汪河洲，等全息制作不同晶面取向光子晶体模板7李蓉，J 物理学报，2006，55：188-191程阳，崔丽彬，等晶格数目对面心立方结构光子晶体带隙的影响8J

19、OANNOPOULOS J D ，MEADE R D ，WINN J NPhotonic crystals ：molding the flow of light M Princeton N J ：Princeton U-1995niversity Press ，9王应宗，J 应用光学，2000，21（5）：23-25吕且妮，马琳，等多级衍射全息光栅Production and characteristic research of 2D orthogonalholographic photonic crystal templatesWANG Ben-ju 1，PU Li-chun 2（1Depa

20、rtment of Material Engineering ，Panzhihua University ，Panzhihua 617000，China ；2School of Optoelectronic Information ，Chongqing University of Technology ，Chongqing 400055，China ）（下转第241页）第 S1 期 吴 帝等： 高压脉冲电场对云南班章晒青茶中酵母菌影响的研究 1997， 6） ： 31034（ 314 学版， 241 5 GB / T 18204 82000 公共场所拖鞋微生物检测方 S 法霉菌和酵母菌测定 6

21、 祖国仁， 孔繁东， 刘阳， 高压方波脉冲电场对微生 等 J 2004（ 8） ： 4951 物的致死作用 高电压技术， 7 王保义， 刘长军， 郭庆功， 电穿孔解释生物体中非 等 J 热生物效应的关键机理 四川大学学报： 自然科 8 杨艳芹， 谢菊芳， 夏利霞， 脉冲电场致细胞膜电穿 等 孔的机 理 分 析J 湖 北 大 学 学 报： 自 然 科 学 版， 2006， 2） ： 16528（ 167 9 严志明， 方婷 高压脉冲电场对微生物的致死动力学 J 2009， 19） ： 5115（ 53 模型 安徽农学通报， The research on the influence of the

22、 high intensity pulsed electric field to microzyme in Banzhang tea of Yunnan WU Di1 ，WANG Baijuan2 ，DAI Hong1 ，YANG Chun- 1 ，LIU Fu- 1 ，LV Qiangxiu wen qiang1 （ 1 School of Physical Science and Technology， Yunnan University， Kunming 650091， China； 2 Foundation and Information Engineering School of Y

23、unnan Agricultural University， Kunming 650102， China） Abstract： Based on the orthogonal table of three factors and three levels in orthogonal test method， rethe search have been performed on the influence of the high intensity pulsed electric field to microzyme in Banzhang tea of Yunnan in this pape

24、r The test results show that the foremost factor which influence the number of microzyme in the tea is high intensity pulsed electric field， turn is the processing time and voltage frequency And in the high intensity pulsed electric field not only can decrease the numbers of microzyme in the tea， al

25、so can inbut crease the number in proper condition Key words： tea； high intensity pulsed electric field； orthogonal test method； microzyme （ 上接第 237 页） Abstract： Multi beam holographic exposure method has been widely used in production of periodic strucin it ture， the past reports， usually used over a four beam exposure at the time to produce photonic crystal templat