基于相位调制的带缺陷光子晶体全息制作方法理论及实验研究.doc

1、 暨南大学硕士学位论文题名（中英对照）：基于相位调制的带缺陷光子晶体全息制作方法理论及实验研究Fabrication of photonic crystals with periodicdefects by using Holographic Lithographybased on phase manipulating method作者姓名： 马杰指导教师姓名及学位、职称： 钟永春 博士 副教授学科、专业名称：光学工程论文提交日期：论文答辩日期：2014年 5月 20日2014年 6月 10日答辩委员会主席：蔡志岗 教授讲师论文评阅人： 方俊彬学位授予单位和日期：暨南大学 2014年 6月独创

2、性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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，也不包含为获得暨南大学 或其他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谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解暨南大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权暨南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或

3、扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：签字日期： 年 月 日电话：邮编：通讯地址：暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究摘要在过去的 20年中，光子晶体被应用于许多光子学领域诸如低阈值激光器，低损耗光波导，片上集成光路和光纤系统。光子晶体的应用需要解决以下三个制作问题。第一，如何制作具有光子禁带的光学材料；第二，如何在光子禁带材料中精确地引入功能性“缺陷 ”；第三，更 进一步地，存在多个缺陷耦合 时，如何精确控制缺陷的相对位置。全息光刻技术是基于多光束干涉原

4、理，通过应用这一技术制作出了具有不同光学晶格的微结构。从一维布拉格光栅到各种三维光子晶体结构,甚至于一些准晶结构都能够用全息方法制作出来。由于全息光刻技术具有步骤简单，晶格结构和单胞形状可控，与传统常规光刻方法兼容等优点，使得全息光刻技术受到了越来越多的关注。在以前的全息制作研究中，主要研究的是制作大面积、高质量的本征光子晶体。但在光子晶体的应用中通常都需要在其本征结构中引入缺陷，所以发展一种在本征光子晶体中精确地引入缺陷并控制其位置的方法是十分必要的。本论文的主要研究内容概括如下：1从全息光刻技术的多光束干涉理论切入，通过研究在调节光束相位时，干涉图样所发生的变化，得到公式描述相位增量与干涉

5、图样之间的关系。同时按相位操控下图样变化特点将这些变化分为干涉图样形状发生改变的形状重构和干涉图样不变化的保形平移。并对实现保形平移的方法进行研究。2.在计算机模拟中对相位操控影响干涉图样的结论进行验证。分别以一维和二维复合结构干涉图样及准晶结构干涉图样作为实例，按照论文中所提出的关于相位操控与干涉图样变化的结论和公式，实现相位操控下的干涉图样形状重构以及相位操控下的干涉图样保形平移。3.基于液晶的相位控制原理，设计并制作一种用于多光束干涉实验的空间光相位调制系统。并通过实验验证了计算机模拟的结果，实现了一维复合结构及二维准晶结构干涉图样在相位操控下的形状重构及保形平移。4.采用相位操控的方法

6、，实现对干涉图样的形状调制，并在 Su-8环氧树脂中制作了一维及二维具有周期性波导结构的光子晶体;并用 SEM拍照方式对所制作的样I暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究品进行表征。样品的结构与模拟所得的干涉图样符合很好。具有大面积均匀结构的特征，同时可以连续内嵌入数十个波导结构。关键词：光子晶体，缺陷，全息光刻，空间光调制器，相位操控II暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究AbstractIn the last 20 years, photonic crystals (PCs) have been applied on a wide field, suc

7、has Low-threshold lasers, Low-loss wave guides, on-chip optical circuitry and fiber optics.The applications of PCs require solving three major fabrication problems. First, how tofabricate a material with photonic band gap (PBG); second, how to precisely introducefunctional defects in PBG material; F

8、urthermore, while there are coupling of two defects,how to control the relative positions of these two defects.Holographic lithography (HL) is based on the multi-beam interference. Using thistechnique a variety of functional micro-structures had been fabricated. Due to the simpleprocess, controlled

9、lattice and unit atoms, and the compatibility with conventionalphotolithography, HL has obtained vast attention. Fabricated structure includesone-dimension Bragg grating, two-dimension and three-dimension photonic crystals andeven some quasi-crystals structures. But, since the applications of PCs us

10、ually requireaccurate introduction of defects, developing an effectively and accurately method toincorporate functional defects directly into PCs is necessary.The following are the main contents of this thesis.1. In theory, we study the relations between phase manipulation and shape ofmulti-beam int

11、erference pattern. A method to accurately translate interference pattern byphase manipulation was proposed.2. In computer simulations, we demonstrate that by manipulating beams phase, a1D,a 2D interference pattern with compound structures can be reformed in their shapes ortranslated along desired di

12、splacements. Even more, we study on a 2D quasi-crystalstructure interference pattern and achieve a series of displacements.3. In experiments, by using a liquid crystals spatial light modulator (LC-SLM) toregulate the phase of beams, real-time dynamic translations of the interference patternswere ach

13、ieved.III暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究4. By using a multi-beam phase-controlled holographic lithography and a diffractingoptical element, large area one dimensional (1D) and two dimensional (2D) PCs withperiodic waveguide were fabricated in SU-8. The uniform area is up to 4 mm2, and tens ofwaveguide

14、have been introduced in the one dimension and two dimension PC structure.Key words：Photonic Crystals, Defect, Holographic Lithography, Spatial LightModulator， Phase manipulationIV暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究目录摘要 IAbstract . III目录 V第一章绪论 11.1光子晶体 . 11.2光子晶体的应用. 41.3光子晶体的制作及缺陷引入技术研究 . 61.4论文内容安排. 12第二

15、章全息光刻中的相位操控方法研究 142.1全息光刻技术. 142.2全息光刻中的相位操控方法. 17第三章相位操控方法的计算机模拟及实验研究 213.1相位操控方法的计算机模拟实验 . 213.2基于液晶空间光调制器的相位操控技术的实验研究 . 303.3总结 和讨论. 37第四章全息光刻方法制作一维及二维带有周期性波导结构光子晶体的研究 394.1基于光聚合材料制作光子晶体的技术发展 . 394.2实验 光路及参数. 404.3感光聚合材料的选择和配制. 414.4曝光 过程及样品的处理过程. 424.5结果及 讨论. 43结论 45参考文献 47在校期间发表学术论文及科研成果清单 55致谢

16、 56V暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究第一章绪论1.1光子晶体1987年由 S.john1和 E.Yablonovitch2分别独立提出了光子晶体（PhotonicsCrystals，简称 PCs）的概念，它所指的是一类由折射率不同的物质按一定周期排布而形成的人工微结构光学材料。名称中的晶体（crystals）是从固体物理学中的概念类比而来。如同（电子）晶体中的离子晶格所产生的周期性势场对电子运动的影响类似，电磁波（光子）在光子晶体这中折射率周期性排布的材料中传播时，受到布拉格散射的影响，只有特定波长的电磁场可以在其中传播（或者被禁止传播），同样类似于传统意义上的晶体

17、，这些被允许的模式形成了一个个“带” 状结构，而在这些传播“带”之间就形成了光子禁 带（Photonic Band Gap，简称 PBG）。也因为光子禁带的存在，在光子晶体中存在着许多特别的光学性质，如抑制自发辐射，低损耗波导效应，等等。1.1.1光子晶体的研究简史其实，早在 1887年，一维具有光子禁带特征的材料就已经被被 Lord Rayleigh 3深入研究过,只是一直并没有将这种多层膜结构材料所具有的波长选择特性与“光子禁带”特征相 联系起来。这 种一维结构的光子晶体已经被广泛使用在许多领域，比如增加 LED效率的反射膜，垂直腔表面激光器（VCSEL ），以及非常普遍使用的光学增反膜和

18、增透膜。最早对一维周期结构光学材料的光子禁带效应进行较为系统研究的是 VladimirP. Bykov4，在他的研究中，同时还推测在二维和三周期性排布的光学材料中也会有类似的效应存在。而此后，在 1979年 Ohtaka5提出了三维光子晶体的概念，同时他还提出了一种关于光子带隙结构的计算方法6。但是，直到 1987年 Yablonovitch和 John的两篇里程碑式的文章发表，光子晶体和光子禁 带的概念才被真正意义上完1暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究善起来。这两篇文章的研究对象都是针对具有高维度周期性的光学材料，也就是三维光子晶体。Yablonovitch的主要研究

19、目标是希望通过操控介质中的光子态密度来实现对内嵌于光子晶体的材料的自发辐射的控制；而同时提出光子晶体概念的，John最初则是则是通过利用光子晶体来影响光的局域性和对光子的控制。在 1987年之后，关于光子晶体的研究开始呈几何增长，大量的研究文章开始涌现。然而，由于光学尺度（亚微米）下光子晶体制作上的困难，早期的研究，无论是理论上还是实验上，都主要集中在微波段。这主要是因为在这一波长范围下的光子晶体，周期的尺度可以达到厘米（cm）量级，这对于光子晶体的制作来说，无疑更容易实现。而更重要的是，基于麦克斯韦方程组的尺度不变性，在微波段所得到的关于光子禁带或光子晶体的结论都适用于光学尺度下的光子晶体。

20、这样，直到 1991年，Yablonovitch在微波尺度下制作出了第一个三维结构的光子晶体7。他所制作的这个结构是通过在一个透明材料上钻入一组孔，而这些孔的排布则形成了一种反转的钻石结构也就是 Yablonovite结构。在光学波段下，第一个被人工制作出的的光子晶体是由 Thomas Krauss在 1996年制作出的一个二维结构下的光子晶体8。这一成果打开了一种通过向传统半导体工业借鉴制作方法实现在半导体材料上进行光学波段光子晶体制作的道路。但相对于二维光子晶体的制作技术，三维光子晶体制作技术的发展则相对缓慢很多。对于二维结构的制作我们可以从半导体工业中借鉴现成的工艺方法，但是在半导体制作

21、工艺中，并没有现成的三维结构的制作技术可以直接拿来继承9。即便如此，研究人员还是做出了许多成功的尝试。比如，通过结合半导体的平面制作工艺结合一个“ 堆叠熔接” 过 程构建出木堆积（woodpile ）结构的三维光子晶体。或者通过自组装技术，利用由介电物质构成的纳米介电球制作出具有光子禁带的三维周期性结构10 ，等等。1.1.2光子晶体的分类11光子晶体按照折射率变化的周期性及光子带隙的空间特征，可以被分为一维，二维及三维光子晶体。如图 1-2所示。2暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究图 1-2（a）一维，（b）二维及（c）三维光子晶体，灰度差 别代表不同折射率。（1）一维

22、光子晶体折射率的周期变化只出现在一个方向上，呈片层结构，它的光子禁带也只出现在一个方向上。这一类光子晶体最早被人们所知，并且已经被广泛应用在光学及光电子学领域，如：具有波长选择特性的多层介质膜反射镜、布拉格光纤光栅、垂直腔表面激光器（VCSEL）等。（2）二维光子晶体如图 1-2 （b）所示，二维光子晶体的折射率周期性出现在二维平面上，它的光子禁带特征也是具有二维特性，在与折射率周期变化的二维平面相垂直的方向上，光子的传播不受限制，也就是没有禁带特征。（3）三维光子晶体如图 1-2 （c）所示，三维 光子晶体的折射率周期性排布在空 间的三个维度上进行。只有在三维光子晶体中才存在完全的光子禁带。

23、1.1.3光子禁带的概念光子禁带是最能体现光子晶体根本特征的性质。简单的说，光子禁带就是指在光子晶体这类折射率周期性变化的结构中时，某些波段的光因介质散射相干相消而无法传播，这些波段最终就形成了类似半导体的能带结构，如图 1-3。3暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究图 1-3光子晶体禁带示意图图 1-3是一个具有完全禁带特征的光子禁带，它是指光在光子晶体中沿任何方向传播都有禁带，而且如果将这些禁带重叠在一起，会存在一个共同的禁带区。从表象上来说，就是在这个频率范围内的光子，无论偏振如何，沿任何方向都无法在光子晶体内传播。不难想象，完全禁带特征只会出现在三维光子晶体中。在折

24、射率周期性排布的材料中，能否存在光子禁带主要由三个因素决定：1.周期性排布材料的折射率差；2.材料的填充率比（高低折射率材料分别所占的体积比例）；3.晶格结构。1.2光子晶体的应用光子晶体的禁带特征使的这一类材料具有许多特别的性质，随着研究人员对这些性质的深入研究以及制作方法的不断发展，应用领域的研究也在不断突破。本文在这里简单的罗列了一些和光子晶体缺陷模有关的光子晶体应用研究。1.2.1光子晶体微腔光子晶体微腔的最大特征是其结构在纳米尺寸上而所具有的品质因数又是传统谐振腔在光学频段内难以比拟的12-14。如传统的激光谐振腔，体积一般是在毫米乃至米级。但是对于光子晶体微腔来说，只需要在具有几个

25、完整结构（一般只有数4暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究um）的光子晶体中引入一个点缺陷结构,并且通过 恰当的结构设计，保证缺陷模式恰好能落入光子晶体的光子禁带中。在这样的设计下，如果光子被引入到缺陷中，它的强度会虽离开缺陷的距离而呈指数下降，这样当我们在光子晶体中引入处于缺陷模的光子时，这样的光子就会被局域在这缺陷，也就是微腔中。一个光子晶体微腔就可以在非常窄的频率范围内局域光子,并且将能量损失降到极小。如此一来,这种微腔的品质因数 Q可以达到极高的数值15,16,17,这 是一般的谐振腔无法达到的。而对光集成领域来说,这种只有波长尺度的微谐振腔有着非常重要的意义。但另

26、一方面，由于其尺寸只有波长量级，则需要新的技术来完成光子晶体微腔的制作。最近，日本的 T. Tanabe等人报道了 Q 值最高可达 120万的光子晶体微腔181.2.2光子晶体光纤光子晶体光纤的原理简单说就是在光子晶体内部引入线缺陷,使光被局域在存在线缺陷的位置,通过这种方式提高光纤的传输效率19,20。Knight J C层制作了一种 PBG光纤21,在 Si-空气孔的二维周期结构中心引入一个较大的空气孔，以此作为导光通道,光波便可以近似无损的在其中传播。1.2.3光子晶体波导光波导是集成光学中的光“导线” 。传统波导如光纤 ,在弯折区域会有极大的损耗。如果应用中需要使光转弯,波导的曲率半径

27、必须做的很大，但也不能避免较大的能量损失,普通导波器件弯曲 5度,能量损失就会达到约 50%。这对于实现制作完整的集成光学回路是一个非常关键的问题。在原理上，光子晶体波导22-26也是利用光子晶体或光子禁带理论中的缺陷模式概念，这点与光子晶体微腔类似。当光子晶体中引入线缺陷或其他结构的缺陷后,实际上是在光子禁带中引入了一些局域态，而处在这些局域态中的光子则会表现出强烈的局域特性，只能按照波导设计的方向传播。结合已报道的理论分析27,28及实验29,30 的结果,都可以看出光子晶体波导对直线路径和大角度转角路径都有很高的传播效率，并且,无论直线还是转弯路径的能量损失都是非常小的。5暨南大学硕士学

28、位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究1.3光子晶体的制作及缺陷引入技术研究在过去的 20年中，光子晶体被应用于许多光子学领域诸如低阈值激光器，低损耗光波导，片上集成光路和光纤系统。大多数应用都需要解决三个主要的制作问题。第一，制作具有光子禁带的光学材料；第二，受控地在光子禁带材料中精确地引入功能性“缺陷 ”；第三，更 进一步地，在以上两个问题 解决的基础上，能够足够精确地控制这些“ 缺陷” 的写入位置。 这就使得越来越多的 应用研究都是建立在光子晶体中的缺陷模基础上31 。也因为这些原因，带有功能性缺陷光子晶体制作技术研究，吸引了越来越多的关注。二维光子晶体的制作通过大量借鉴传统半导体工

29、业非常完善的制造工艺，已经可以实现商业化制作可以大规模制作高精度的二维光子晶体。通常，二维光子晶体一般会被设计为三角形的介电柱排列，因为在这种几何构造下，对于任何一种偏振态，它都具有一个二维的光子禁带存在。通过高精度的光刻，离子刻蚀或者电化学刻蚀等方式，缺陷和二维光子晶体可以同步被制作在半导体上。点缺陷通过抹去某个特定的介电柱或者改变其形状来实现。这类半导体材料一般都具有很高的折射率32。这样 ，通过恰当的结构设计和工艺实现33,34，可以得到许多非常有价值的器件。尽管二维光子晶体制作通过大量借鉴半导体工业的成熟工艺，已经可以实现光子晶体并且是带有缺陷光子晶体的商业化制作。但是，鉴于传统半导体

30、工业并不存在三维结构的制作技术，针对三维光子晶体特别是带有功能性缺陷的光子晶体的制作技术的研究，则成为了光子晶体制作技术中的研究重点，并且在这二十年的研究中，涌现出各种新颖的技术。1991年,Yablonovite应用精密加工技术制作了第一个具有完全禁带的光子晶体35,其禁带在微波范 围内。现在许多技术在制作光子晶体上取得了不同程度的成功,例如激光直写技术43,44、逐层叠加方法40,41 、斜角入射沉积技术42、胶体自排法37,38、离子束刻 蚀39、精密加工技术36和全息光刻技术45,46 。而结合这些技术的缺陷引入或內禀制作的方法也不断涌现出来。6暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的

31、全息光刻技术研究1.3.1微球组装技术胶球自组装是把制备好的微球(硅球等)通过自动排列成为一个相对稳定的结构(如密堆积结构) 。这是一种制作无缺陷光子晶体模板非常有效的方法47。利用这种方法所制作出的结构的最终形态接近或是处在一个热力学稳定状态48。因此制作出的结构具有体积大，结构均匀等特点。这种方法具有制作成本较低、产量大的特点,适合大规模生产。在这种技术的基础上引入功能性缺陷的方法也有很多种，包括：（1）将胶球自组装与半导体平板印刷技术相结合的缺陷引入方法，这种方法是先将一部分微球通过自组装成型后，再在成型好的表面上附着上一层“中间” 材料，在后在用电子刻蚀或其他半导体平板印刷技术将这一层

32、材料刻蚀成所需的形状，之后在这个表面上继续沉积若干层小球，再通过熔渗的方式得到相应的反转结构，最后则通过特定的方式将最左缺陷的感光材料去除。整个制作过程的示意图如图 1-4（a）所示图 1-4 47 胶球自 组装与半导 体平板印刷技术相结合的缺陷引入方法图 1-4（ b）所示为用这种方法制作出带有功能性缺陷光子晶体的 SEM照片。（2）激光直写方式50 在自组装结构中引入缺陷，这种方法是利用自组装技术和光刻技术相结合的一种方法。如图 1-5（a）所示， 这种方法是利用自组装产生的光子晶体模板结构，在经过光敏聚合物材料的单体熔渗后，再通过汇聚后的高强度激光，将所需的缺陷结构直接写入到材料中去。经

33、过光照的光敏聚合物单体会发生聚合反应，将留在自组装所得的结构中，而其它部分的聚合物单体因未发生聚合，7暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究在后面的流程中会被去除掉。图 1-5（b）和（c）分 别是用这种方法制作出来的两个带有缺陷结构的样品。图 1-5激光直写方式在自组装 结构中引入缺陷501.3.2半导体平面刻蚀技术制作带缺陷光子晶体这种方法仍然是基于半导体工业的制作技术。通过将一种常规的半导体器件制作工艺和一组由光刻、干、湿蚀刻、化学机制抛光及 SiN，Si，SiO2 薄膜生长组成的循环工艺相结合，便得到了一种“层叠” 方式的制作技 术。如果换一种粗糙的方式对这种方法进行

34、描述的话，实际上这种方法就是先用半导体技术中的刻写技术，在硅晶片上写出一条条整齐排布的“硅棒” ，然后再将 这些硅棒在平面内旋转 90后精确地叠放在相同排布的“硅棒” 上；这样经过多次重复后，便得到了所需的 结8暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究构。这种方法主要用来制作木堆积结构的光子晶体。而如果这个“层叠” 过程中，对需要嵌入缺陷的一层中的某一根“硅棒” 进行特殊 处理抹去（线缺陷）或者部分截取（点缺陷）。便可以得到带有相应缺陷的结构的光子晶体51。图1-6基于半导体平面刻蚀技 术制作的带有缺陷的（a）木堆 积结构光子晶体52 （2）内嵌直角光波导结构的光子晶体51该技

35、术虽然是早期完成光子晶体制作及缺陷嵌入的一种方法，但是，这一技术也存在十分明显的缺陷，耗时，需要昂贵的设备完成“层叠” 动作，也由于这些技术瓶颈，这一技术所能完成的样品往往只能做到有限的几层。1.3.3电化学侵蚀方式这种方法是通过控制如氢氟酸一类能够腐蚀半导体材料的化学品，在电化学侵蚀过程中的外部条件，以在半导体材料上实现所需结构制作的一种技术。具体过程是，在衬底材料表面首先会被修饰上一个系列纳米尺度的锥状凹坑53，这一步是通过标准刻蚀过程实现。然后再将样品放入通电的氢氟酸电解液中。电流密度会在样品的锥状凹坑的的尖端处增强，这样，就使得 HF会有选择地向锥坑底部蚀刻，进而在样品上形成柱状空洞。

36、这种方式首先是用来制作二维光子晶体，但是，通过调制外部条件（蚀刻过程中的光强度），就可以制作出图中的三维结构。而缺陷则可以通过改变外部条件的调谐频率或者在表面修饰时做一些特殊的设计（将周期排布的锥坑选择性地留空）54-56。图 1-6 所示是一个通过这种方法制作的带有片层缺陷的三维光子晶体样品的 SEM照片。9暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究图 1-7通过电化学侵蚀方法制作的 带有片层缺陷的三维光子晶体57这一方法的优点是可以直接在高折射率材料（半导体材料）上制作光子晶体，但缺陷也非常明显，首先，嵌入的缺陷形状是非常有限的，其次，所得结构的完全带隙非常狭小。1.3.4斜

37、角入射沉积方法倾角沉积实际上是一种化学气相沉积方法，它非常适合用来制作手征光子晶体58，而且可以使用很多种材料来制作光子晶体，包括二氧化硅，硅，锗，二氧化钛，氟化镁等等。利用这种方法制作光子晶体时，缺陷的嵌入只需要调整样品台的旋转角度和频率即可。图 1-7（a）所示为这种方式的实验 原理图。图 1-7斜角入射沉积方法（a）实验及装置原理图（b）带 有缺陷结构的样品5810暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究倾角沉积方式可以用来制作非常大体积的光子晶体，这种方法存在的问题是内嵌的缺陷类型有限，只能完成面缺陷或者简单的直线缺陷等单一结构的缺陷，而不能做到任意形状缺陷的嵌入。1.

38、3.5直写技术直写技术是一类技术的总称，包括激光直写59,60、电子束直写61,62、聚焦离子束直写63,64 等。直写方式制作光子晶体的原理与 3D 打印技术相同，都是通过计算机设计所需的三维模型（CAD技术），然后用所需的材料按设计好的模型进行“打印”。只是由于光子晶体的制作都需要在微米尺度下进行，这样就需要一些特殊的技术实现材料成形，比如双光子聚合和激光直写。利用这种方式可以通过在在模型设计过程中，简单地将部分结构“抹去” 或者“移动”来实现各种类型缺陷的内嵌。具体的技术方法上，如激光直写技术是利用计算机控制高精度激光束在在感光树脂上扫描，然后通过直接曝光，得到所需结构。结构的设计非常自

39、由，可以做到任意结构的刻写。在具体技术细节上，为了防止激光未聚焦区域的感光树脂单体发生聚合，所选择激光的频率需要低于发生聚合反应的最小光强，并且在刻写过程中也需要精确可控制光强。这一类技术在制作小小体积内嵌缺陷的结构式具有设计自由度高，能够制作高精度样品；但是缺点也是显而易见，这一类方法都是通过逐点扫描的方式来制作结构，这就表明该方法是非常耗时的，同时只能制作小尺寸样品。图 1-8中所示就是利用这类技术制作的几个具体带有功能缺陷的结构。图 1-8直写技术制作的a木堆积结构三维光子晶体b带有 线缺陷的样品暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究1.3.6全息光刻全息光刻技术是一种

40、利用多束相干光重叠并干涉形成全息图案，然后用通过光与感光物质之间的相互作用，形成介质折射率在空间周期性变化的有序结构。这种方法制作的结构周期是在光学的波长范围内，且对晶格结构的设计多样灵活，不但可以制作具有平移对称性的周期性结构，同样能用于制作大面积具有旋转对称性的准结构。在 1997年，Berger66 等人首次提出通过激光全息光刻制作三维光子晶体。而随后的研究表明，多光束干涉不仅可以形成具有平移对称性的周期性结构67-69，还可以用于制作不具有平移对称性的准周期结构70-73。近几年，光刻技术因其简单，灵活，具有很高的设计自由度且适合大面积样品制作等优势，已成为研究制备光子晶体的一种非常有

41、效的方法。图 1-9全息光刻方法制作的（a）无缺陷光子晶体，（b）通 过双光子激光直写的方式在其中引入的缺陷。1.4论文内容安排第一章介绍了光子晶体的基本概念及相关的一些术语,并对光子晶体的应用，发展前景，研究现状及关于光子晶体的制作技术的研究情况都做了简单的介绍,并着重对关于光子晶体中功能性缺陷引入的技术方法做了较为详尽的介绍。第二章从全息光刻技术的多光束干涉理论切入，通过研究在调节光束相位时，干涉图样所发生的变化，推导出可以描述相位增量与干涉图样之间的关系的公式。12暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究同时按相位操控下图样变化特点将这些变化分为干涉图样形状发生改变的形状

42、重构和干涉图样不变化的保形平移，并对实现保形平移的方法进行研究。第三章在计算机模拟和实验中对相位操控影响干涉图样的结论进行验证。并分别以一维和二维复合结构干涉图样及准晶结构干涉图样作为实例，利用之前所提出的结论和公式，实现相位操控下的干涉图样形状重构以及相位操控下的干涉图样保形平移。并基于液晶的相位控制原理，设计并制作一种用于多光束干涉实验的空间光相位调制系统。用于在实验上实现相位操控下的干涉图样调节操作。第四章采用相位操控的方法，实现对干涉图样的形状调制，并在 Su-8环氧树脂中制作了一维及二维具有周期性波导结构的光子晶体;利用扫描电镜 SEM 测量系统进行实验结果表征。实验结果与理论模拟的

43、干涉图样符合很好。具有大面积均匀结构的特征，同时可以连续内嵌入数十个波导结构。13暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究第二章全息光刻中的相位操控方法研究2.1全息光刻技术由干涉的概念我们知道，彼此相干的光束光会在交叠区域内形成干涉图样，也就是由干涉产生的光强分布。两束光干涉能够形成简单的一维周期排布的亮条纹，而不共面的三束相干光则可以形成具有二维周期性明暗变化的图样；而如果继续在这 3束光所成的平面外再增加一束光，那么这四束彼此相干的光束便可以在共同的交叠区域形成具有三维周期性图样，或者也可以称为光学格子（Optical Lattice）74 。关于这些光学格子的研究和应用

44、，早期主要是在激光冷却（Laser Cooling）领域利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子75在这些研究中的许多结论被后来的全息光刻技术继承并进一步推广。全息光刻就是通过将这些光强按周期性分布的干涉图样记录在某种材料中，实现微结构材料制作的过程。在这个过程中，通过干涉（或衍射）得到的全息图样决定了最后所得样品的结构。而为了得到具有某种目标结构特征（比如，对称性，周期大小，缺陷嵌入位置、类型及大小）的材料制作，则必须通过对干涉光束的参数进行特殊的设计和控制来实现对干涉图样的调制。多光束干涉图样，或者说多光束干涉的光强分布可以用下面的公式76来描述： I(r) Ei Ej exp

45、i(k kj) r (i j)n （1）ii,j i式中，Ei，ki和 i分别表示第束光的 电场矢量，波矢量和初相位。 该式表明，如果对某一波长下的光束的数量（n），振幅（Ei ），偏振态（E i），光束之间的相位差( i j)或者光束的传播方向（ki ）进行独立地或者 组合的调制，都会改变空间里最终的干涉光强分布I(r )。而这些参量的调制影响按结果可以划分为对光学格子的影响和对光学格子元胞形状的影响。14暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究在接下来的内容中，我们则会对如何利用这些参数实现干涉图样的改变并进而实现光子晶体结构设计的方面入手继续我们的研究。2.1.1干涉图样

46、结构对称性的调制在前文的内容中，对光束数量引起的光学格子变化做了简要的介绍。“光束数量”作为一个影响干涉图样周期性的参量，还需要与光束的传播方向，也就是波矢量ki结合讨论才有意义。我们假设在干涉区域内共有 n束光参与干涉，这些光束的传播方向可以用他们的波矢量ki来描述，根据光束数量的不同，可以分成 4种情况继续我们的讨论。（1）若n 2时，干涉形成的图样（光学格子）只具有一 维周期性，也就是明暗交替的直条纹如图 2-1（a）所示，图 2-1多光束干涉产生（a）一维及（b）二维周期性图样 的原理图 2-1（ a）所示为 2束光干涉 产生一维干涉图样的原理示意 图，这个一维结构的周期可以用下式表示

47、15暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究d /2sin( /2) （2）这里 为光束的波长， 则表示光束之间的夹角，而d则表示所得一维干涉图样的周期大小。光束之间的夹角直接关系到结构的周期大小，结构的周期大小则直接影响到光子晶体的禁带位置。更进一步可以推出，全息光刻所能得到的最小周期是光束波长的一半，也就是d /2，而这种情况发生的条件是两束光的夹角为180，也就是光学 驻波；（2）如果n 3，且这三束光不共面,便可以形成具有二 维周期性的干涉图样，如图 2-1 （b），三束对称分布且不共面的光干涉产生正六边形二维周期结构；（3）如果n 4，且任意三束光均不共面，则可以形成

48、三 维周期性结构，如图 2-2（b ）所示，四束伞形分布的干涉光束干涉构成三维面心立方结构,其中k ,k ,k3对 1 2称分布于k 0的旁边，并且与k 0的夹角为 38.9；图 2-2 4束光干涉产生三维面心 结构干涉图样（a）结构的光学格子及倒格子示意 图（b）干涉光强分布的计算机模拟77(4)而当n 1 4时，得到的光学格子不但具有三维周期结构，同时结构的对16暨南大学硕士学位论文 基于相位操控方法的全息光刻技术研究 称性更为复杂。在图 2-1和 2-2中，引入了一个符号G ，Gij称为倒格矢，它可以用ij下式来定义： G k kj（3）ij i理论上，用一组独立的倒格矢可以完整的描述出

49、干涉图样（光学格子）的对称性。而在较早的激光冷却领域研究中，已经从理论上证明了通过多光束干涉方法可以得到具有全部 14种布拉维格子对称性的光学格子78。这也为后来将多全息光刻技术应用到光子晶体制作中打下了理论基础。2.1.2干涉图样元胞形状的调制在光束的数量和方向（光束在空间中的几何配置）确定后，干涉图样（光学格子）的结构对称性已经确定。而每束光的偏振态79，振幅和光束间的相位差80则会影响到干涉图样（光学格子）的元胞形状。关于偏振态对干涉图样的影响，在中山大学苏慧敏的一项研究中讨论了光束的偏振态对于干涉图样对比度的影响79；而在 D. N. Sharp的一篇文章中81，从理论上讨论了如何利用偏振调制的方法实现五束光干涉制作具有 Diamond结构的光子晶体。相