一種微波光子晶體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微波光子晶體及其制備方法，所述微波光子晶體包括周期性排列的介質(zhì)柱體，與所述介質(zhì)柱體軸向近似垂直的上表面和下表面，所述介質(zhì)柱體分別與所述上表面和/或所述下表面的連接縫隙之間通過納米粒子熔合連接。本發(fā)明提供的微波光子晶體，采用與整體器件同樣的納米粒子材料作為熔合材料，可以在較低溫度下進(jìn)行微波光子器件的熔合組裝，解決了在傳統(tǒng)微波光子晶體器件加工工藝中各個(gè)部件之間的連接不致密，器件整體性差的問題，大大提高加工光子晶體器件的性能，可廣泛適用于微波諧振腔、集成光路的光源和波導(dǎo)等領(lǐng)域。
【專利說明】一種微波光子晶體及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種微波光子晶體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體(photonic crystal:PC)是一類由金屬或者電介質(zhì)材料構(gòu)成的具有周期性晶格排列的宏觀結(jié)構(gòu)，可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和構(gòu)造其周期性排列產(chǎn)生所需的光子帶隙結(jié)構(gòu)，從而阻止或者允許特定頻率的光或者電磁波沿某些方向的傳播，進(jìn)而達(dá)到改變乃至控制光或者電磁波傳播的目的。光子晶體被廣泛應(yīng)用于無閾值激光器，無損耗的反射鏡，彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，低驅(qū)動(dòng)能量的非線性開關(guān)和放大器等。
[0003]目前研究較多的兩維光子晶體被認(rèn)為在加速器相關(guān)的應(yīng)用上具有很大的應(yīng)用潛力，其中利用光子帶隙原理設(shè)計(jì)的光子帶隙諧振腔能夠起到模式選擇的功能，由于它們工作的頻率范圍常常處于微波頻段，通常稱此類光子晶體為微波光子晶體。微波光子晶體由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，周期性晶格陣列結(jié)構(gòu)與內(nèi)表面之間通過純粹的機(jī)械咬合并不能滿足其對(duì)高品質(zhì)因數(shù)的要求，并盡可能保證內(nèi)表面的品質(zhì)。通常的做法是分別制造表面和柱狀結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行連接形成微波光子晶體。在連接過程中，為了不破壞器件的結(jié)構(gòu)和改變其材料的性能，通常采用低熔點(diǎn)金屬對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)和表面進(jìn)行熔合，使得相應(yīng)的操作可以在較低的溫度下進(jìn)行。這一制造方法下成型的微波光子晶體一般而言整體性較差，尤其在柱狀結(jié)構(gòu)和內(nèi)表面連接處的很難做到完全的無縫連接。同時(shí)在加工過程中通常采用與內(nèi)表面和柱狀結(jié)構(gòu)不同的低熔點(diǎn)技術(shù)作為熔合材料，其通常與表面所用材料具有不同的電磁學(xué)特性，從而在一定程度上影響微波光子晶體諧振腔的最終性能。
[0004]現(xiàn)有的高品質(zhì)微波光子晶體的加工方法主要有兩種:金屬焊接和電解沉積成型。
[0005]金屬焊接是在晶格陣列結(jié)構(gòu)與諧振腔壁的接合處放置焊接材料，通過高溫加熱使焊接材料融化，使被接合的兩部分實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。焊接材料通常為合金，例如伍德合金，使其熔點(diǎn)低于被焊接的金屬，但因其接合處含有其它金屬材料，使其在對(duì)材料一致性要求很高的應(yīng)用中受到限制(例如高真空器件)，同時(shí)傳統(tǒng)焊接材料的形態(tài)和尺寸也無法保證其對(duì)微小縫隙(例如微米級(jí)別以下)的有效填充。
[0006]電解沉積法是基于一種電鍍生長(zhǎng)的過程，將微波光子晶體內(nèi)部所有的中空部分用熔點(diǎn)很低或易溶解的金屬做成模具，并將該模具置于電解池中。這種方法的特點(diǎn)是制備精度高，一體化程度好，但只能制備整體為一種金屬材料的光子晶體。對(duì)于基于不同金屬材料或是電介質(zhì)材料的光子晶體結(jié)構(gòu)，電解沉積成型的方法則無法實(shí)現(xiàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明所解決的問題是提供一種微波光子晶體，用于解決光子晶體在制備過程中各部件之間連接不緊密，器件整體性差從而影響光子晶體性能的問題。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種微波光子晶體，包括周期性排列的介質(zhì)柱體，與所述介質(zhì)柱體軸向近似垂直的上表面和下表面，其中，所述介質(zhì)柱體分別與所述上表面和/或所述下表面的連接縫隙之間通過納米粒子熔合連接。
[0009]進(jìn)一步地，所述納米粒子的材料與所述上表面和下表面的材料相同。
[0010]進(jìn)一步地，所述介質(zhì)柱體的材料為金屬材料或電介質(zhì)材料。
[0011]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題還提供了一種微波光機(jī)晶體的制備方法，包括如下步驟:
[0012]在所述介質(zhì)柱體分別與所述上表面和/或所述下表面的連接縫隙之間填充所述納米粒子；
[0013]加熱所述納米粒子，保溫后自然冷卻至室溫，得到熔合連接的微波光子晶體。
[0014]進(jìn)一步地，所述納米粒子填充之前，先分別將所述上表面和下表面進(jìn)行超聲預(yù)處理。
[0015]進(jìn)一步地，所述上表面和所述下表面經(jīng)過超聲處理后，分別對(duì)所述上表面和/或下表面進(jìn)行刻蝕，獲得具有凹槽的上表面和/或下表面。
[0016]進(jìn)一步地，所述刻蝕方法為旋涂光刻蝕或化學(xué)刻蝕。
[0017]進(jìn)一步地，所述加熱過程如下:
[0018]升溫達(dá)到第一溫度T1，并在所述第一溫度T1下保溫第一時(shí)間& ；
[0019]繼續(xù)升溫至第二溫度T2,并在所述第二溫度T2下保溫第二時(shí)間t2。
[0020]進(jìn)一步地，所述第一溫度T1為所述納米粒子熔點(diǎn)的80?90 %，所述第二溫度T2為所述納米粒子熔點(diǎn)的100?110%。
[0021]進(jìn)一步地，所述第一時(shí)間&為5?10分鐘，所述第二時(shí)間t2為5?10分鐘。
[0022]進(jìn)一步地，所述加熱方法為微波加熱、等離子體加熱、真空加熱或在惰性氣體保護(hù)下加熱。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì):(1)采用納米材料呈現(xiàn)低熔點(diǎn)的尺寸效應(yīng)，使得制備中可以采用與表面組件同種材料的納米粒子作為熔合材料，保持了材料的一致性，提高了器件整體的性能；(2)納米粒子的小尺寸使得熔合材料本身可以更好地進(jìn)入組件之間的縫隙，達(dá)到更好的熔合效果，避免了常規(guī)方法可能產(chǎn)生的組件之間的空隙，從而有利于改善器件的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1所示為本發(fā)明中微波光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2所示為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3所示為本發(fā)明中微波光子晶體的制備流程示意圖；
[0027]圖4所示為本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
[0029]其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，所述示意圖只是實(shí)例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提出的一種微波光子晶體及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0031]實(shí)施例一
[0032]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種微波光子晶體，所述微波光子晶體的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，微波光子晶體包括上表面1、下表面2和由多個(gè)具有周期性陣列排布的介質(zhì)柱體3，所述介質(zhì)柱體3分別與所述上表面I和/或所述下表面2的連接縫隙4之間通過納米粒子5進(jìn)行熔合連接，獲得所述微波光子晶體，以滿足微波光子晶體的高品質(zhì)因數(shù)Q要求。需要說明的是，當(dāng)材料在尺寸上達(dá)到納米尺度時(shí)，由于尺寸效應(yīng)的影響，比表面能大大增加，使得納米粒子5所呈現(xiàn)的熔點(diǎn)大大低于同種材料尺度在塊材時(shí)的熔點(diǎn)，例如金的尺寸接近納米級(jí)別時(shí)，其熔點(diǎn)可以降到接近300攝氏度左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其在塊材時(shí)的熔點(diǎn)溫度1064攝氏度。具體地，所述納米粒子5的材料與所示上表面I和下表面2的材料相同，例如無氧銅，金、鎳或鉬等，以保持器件材料的一致性；所述介質(zhì)柱體3的材料為金屬材料或電介質(zhì)材料，例如無氧銅，鎳，氧化鋁等。采用納米粒子5作為熔合材料，可以在較低溫度下進(jìn)行微波光子晶體的熔合連接，同時(shí)采用與上表面I和下表面2同樣材料的納米粒子5作為熔合材料，保持了器件材料的一致性，消除在傳統(tǒng)微波光子晶體器件的制備過程中各個(gè)部件之間連接不致密，器件整體性差的問題，從而大大提高微波光子晶體器件的性能。
[0033]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，還提供了一種微波光子晶體的制備方法，如圖3所示，包括如下步驟:
[0034]執(zhí)行步驟S1:對(duì)基板表面進(jìn)行預(yù)處理，獲得上表面I和下表面2。所述預(yù)處理方式為將基板置于無水乙醇中超聲處理10~20分鐘，取出后室溫干燥待用。為提高光子晶體連接的密封性，在經(jīng)過預(yù)處理的基板上通過刻蝕方法獲得具有凹槽4的表面I和/或表面2，所述凹槽4按照周期性陣列排布，凹槽4的陣列結(jié)構(gòu)同所述介質(zhì)柱體3的周期性陣列排布方式對(duì)應(yīng)。具體地，如圖2所不，以上表面I和下表面2的材料為無氧銅,柱體3的材料為電介質(zhì)材料氧化鋁為例，將兩塊無氧銅基板浸沒于無水乙醇中超聲10分鐘后，取出于室溫下晾干待用。對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的銅基板通過刻蝕方法獲得具有凹槽4的上表面I和下表面2，氧化鋁通過車床機(jī)械加工切割為多個(gè)柱體3，用于后續(xù)制備步驟。所述刻蝕方法為光刻蝕法和化學(xué)刻蝕法，具體地，在經(jīng)過預(yù)處理后的基板表面旋涂光刻膠，經(jīng)過模板紫外光曝光后將基板表面圖案化，用稀硝酸或稀硫酸腐蝕圖案化的基板，并用丙酮洗滌多次，去除光刻膠，獲得所述具有凹槽4的表面。
[0035]執(zhí)行步驟S2:將納米粒子5均勻填充于所述介質(zhì)柱體3與所述上表面和下表面的連接縫隙中。具體地，如圖2所示，所述上表面I和下表面2具有周期性陣列排布的凹槽4，
將所述介質(zhì)柱體3插入與之--對(duì)應(yīng)的連接凹槽4中，通過加壓將所述介質(zhì)柱體3與所述凹槽4相互扣緊。所述納米粒子5的材料與所述表面的材料相同，均為金屬材料，例如無氧銅、鉬、金和鎳等，以保持所述微波光子晶體材料的整體性。
[0036]執(zhí)行步驟S3:升溫進(jìn)行熔合連接，獲得所述微波光子晶體。本發(fā)明中，利用納米粒子的尺寸效應(yīng)，使得納米粒子的熔點(diǎn)大大低于同種材料在塊材時(shí)的熔點(diǎn)。具體地，以40納米的無氧銅為例，40納米的無氧銅的熔點(diǎn)為217攝氏度，遠(yuǎn)低于塊材銅的熔點(diǎn)850攝氏度，使得在制備過程中采用和表面相同的材料作為熔合材料，保持了材料的一致性，提高了器件的整體性能。所述熔合連接包括如下步驟:
[0037] 將步驟S2所得的器件升溫達(dá)到第一溫度T1，并在所述第一溫度T1下恒溫第一時(shí)間ti ;繼續(xù)升溫至第二溫度T2,并在所述第二溫度T2下恒溫第二時(shí)間t2后，自然冷卻至室溫，獲得所述微波光子晶體。所述第一溫度T1為略低于所述納米粒子5的熔點(diǎn)10~20%的溫度，例如，粒徑為35納米的無氧銅納米粒子，熔點(diǎn)為177攝氏度，制備過程中所述第一溫度T1為160攝氏度左右；所述第一時(shí)間h為5~10分鐘，第一步預(yù)加熱過程使得所述納米粒子5能夠受熱均勻，得到活化而充分填充于所述介質(zhì)柱體3與所述表面的連接縫隙4，所述第二溫度T2為略高于所述納米粒子熔點(diǎn)的O~10%的溫度，例如，粒徑為35納米的無氧銅納米粒子，制備過程中所述第二溫度T2為190攝氏度左右；所述第二時(shí)間t2為5~10分鐘。所述升溫方法為微波加熱，等離子體加熱，真空加熱或在惰性氣體保護(hù)下加熱等。所述升溫為勻速升溫，升溫速率為5~10攝氏度，使得納米粒子均勻受熱。
[0038]具體地，以介質(zhì)柱體3的材料為氧化鋁、上表面I和下表面2的材料為無氧銅，納米粒子5為粒徑為35納米的無氧銅為例，從室溫開始勻速微波加熱，控制升溫速度5攝氏度/分鐘，將組合后的器件在160攝氏度下，預(yù)熱5分鐘；繼續(xù)升溫，使溫度超過納米粒子的熔點(diǎn)，以升溫速度10攝氏度/分鐘達(dá)到190攝氏度并保溫10分鐘，然后自然冷卻至室溫，得到結(jié)合完整的微波光子晶體。
[0039]實(shí)施例二
[0040]本實(shí)施例與上述實(shí)施例不同之處在于，在本實(shí)施例中，所述介質(zhì)柱體3與所述上表面I和下表面2為相同材料,優(yōu)選地,為金屬材料,例如無氧銅。
[0041]優(yōu)選地，為了保持微波光子晶體材料的一致性，簡(jiǎn)化制備流程，提高微波光子晶體的性能，如圖4所示，微波光子晶體包括上表面1，下表面2，所述下表面2上具有直接機(jī)械加工而成的具有周期性陣列排布的介質(zhì)柱體3，所述介質(zhì)柱體3與所述上表面I的連接縫隙4之間通過納米粒子5進(jìn)行熔合連接，獲得所述微波光子晶體。具體制備步驟如下，以表面材料和介質(zhì)柱體的材料為無氧銅，納米粒子為粒徑40納米的無氧銅為例:
[0042]取任意一塊經(jīng)過預(yù)處理的無氧銅基板，通過車床在基板上直接機(jī)械加工切割獲得具有周期性陣列排布的銅柱體，將另一炔基板通過刻蝕方法獲得具有凹槽的表面，用于后續(xù)制備步驟。接著，將粒徑為40納米的無氧銅粒子均勻填充于所述銅柱體和所述表面的凹槽縫隙中，如圖4所示，將所述銅柱體插入與之--對(duì)應(yīng)的凹槽中，通過加壓將所述銅柱體與所述凹槽相互扣緊。所述刻蝕方法上述S2步驟已詳述，在此不再贅述。
[0043]最后，升溫進(jìn)行熔合連接。具體地，以介質(zhì)柱體3、上表面I和下表面2為無氧銅，納米粒子5為粒徑為40納米的無氧銅為例，從室溫開始勻速微波加熱，控制升溫速度5攝氏度/分鐘，將組合后的器件在180攝氏度下，預(yù)熱10分鐘；繼續(xù)升溫，使溫度超過納米粒子的熔點(diǎn)，以升溫速度10攝氏度/分鐘達(dá)到230攝氏度并保溫10分鐘，然后自然冷卻至室溫，得到結(jié)合完整的微波光子晶體。
[0044]本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種微波光子晶體，包括周期性排列的介質(zhì)柱體，與所述介質(zhì)柱體軸向近似垂直的上表面和下表面，其特征在于，所述介質(zhì)柱體分別與所述上表面和/或所述下表面的連接縫隙之間通過納米粒子熔合連接。
2.如權(quán)利要求1所述的微波光子晶體，其特征在于，所述納米粒子的材料與所述上表面和下表面的材料相同。
3.如權(quán)利要求1所述的微波光子晶體，其特征在于，所述介質(zhì)柱體的材料為金屬材料或電介質(zhì)材料。
4.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1?3任意一項(xiàng)所述的微波光子晶體的制備方法,其特征在于，包括如下步驟: 在所述介質(zhì)柱體分別與所述上表面和/或所述下表面的連接縫隙之間填充所述納米粒子； 加熱所述納米粒子，保溫后自然冷卻至室溫，得到熔合連接的微波光子晶體。
5.如權(quán)利要求4所述的微波光子晶體的制備方法，其特征在于，所述納米粒子填充之前，分別將所述上表面和下表面進(jìn)行超聲預(yù)處理。
6.如權(quán)利要求5所述的微波光子晶體的制備方法，其特征在于，所述上表面和所述下表面經(jīng)過超聲處理后，分別對(duì)所述上表面和/或下表面進(jìn)行刻蝕，獲得具有凹槽的上表面和/或下表面。
7.如權(quán)利要求6所述的微波光子晶體的制備方法，其特征在于，所述刻蝕方法為旋涂光刻蝕或化學(xué)刻蝕。
8.如權(quán)利要求4所述的微波光子晶體的制備方法，其特征在于，所述加熱過程如下: 升溫達(dá)到第一溫度T1,并在所述第一溫度T1下保溫第一時(shí)間& ； 繼續(xù)升溫至第二溫度T2,并在所述第二溫度T2下保溫第二時(shí)間t2。
9.如權(quán)利要求8所述的微波光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第一溫度T1為所述納米粒子熔點(diǎn)的80?90%，所述第二溫度T2為所述納米粒子熔點(diǎn)的100?110%。
10.如權(quán)利要求8所述的微波光子晶體的制備方法，其特征在于，所述第一時(shí)間為5?10分鐘，所述第二時(shí)間t2為5?10分鐘。
11.如權(quán)利要求4所述的，其特征在于，所述加熱方法為微波加熱、等離子體加熱、真空加熱或在惰性氣體保護(hù)下加熱。
【文檔編號(hào)】G02B6/136GK104076438SQ201310103280
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月27日
【發(fā)明者】章健, 徐一鳴, 李冬松 申請(qǐng)人:上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司