本發(fā)明涉及光子晶體，尤其是涉及一種基于多光束干涉法制造可變周期光子晶體的裝置。

背景技術：

激光干涉光刻的精度很高，可達微納量級，適當?shù)恼{節(jié)干涉光之間的夾角，甚至可使微納結構的周期接近激光波長的一半，是可操作性很強的一種微納結構制備技術。

多光束干涉法常用來制造光子晶體。利用光刻膠的感光特性以及單次曝光法可十分方便的記錄三維光學結構。再通過顯影過程，即可把制備的結構顯現(xiàn)出來，從而得到所需的光子晶體。

眾所周知，在半導體材料中原子排列的晶格結構產(chǎn)生的周期性電勢場影響著在其中運動的電子的性質，使其形成能帶結構。由于介電常數(shù)的周期性調制，電磁波在光子晶體中的傳播可以用類似于電子在半導體中運動的能帶結構來描述。具體表現(xiàn)為：一定頻率的光波在光子晶體的特定方向上被散射，不能透過，形成光子禁帶(或稱光子帶隙)，頻率落在光子禁帶中的光波在一定方向上無法傳播。這種具有光子禁帶的周期性介電材料即為光子晶體或光子帶隙材料(范長林,光子晶體的全新應用及其研究[D],電子科技大學,2003年.)。

由于光子晶體的介電常數(shù)受到周期性調制，因而對不同頻率的光波呈現(xiàn)不同的光學特性。一種特定周期的光子晶體，僅允許特定頻段的光波通過，其余的光波則無法通過。由于每一種特定周期的光子晶體都有其最佳調控范圍，因而要增強其對光波的調控能力，擴大其可調控光波的范圍，周期可變就顯得格外重要。因此本發(fā)明的重點就放在光子晶體周期的調控上。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有多光束干涉光刻系統(tǒng)存在的光路復雜、光束入射角調整困難等缺點，提供結構簡單、可操作性強、可獲得具有大面積可變周期的一種基于多光束干涉法制造可變周期光子晶體的裝置。

本發(fā)明依次設有激光器、空間濾波器、光闌、凸透鏡、多光束生成元件、光刻膠板；

所述空間濾波器的出光口放置于凸透鏡的焦點處，當激光器發(fā)出的激光經(jīng)過空間濾波器擴束后，會變成一束發(fā)散光，發(fā)散光經(jīng)過凸透鏡時，會變成一束平行光，這束平行光沿著法線方向照射到多光束生成元件上，多光束生成元件對這束平行光的光路進行調整，使其產(chǎn)生多束相干光束，多束相干光束重疊在光刻膠板上，在光刻膠板上對多束光重疊的干涉區(qū)域進行單次曝光，經(jīng)過顯影即得可變周期光子晶體。

通過調節(jié)多光束生成元件上的反射鏡角度可使微納結構的周期精確變化。

本發(fā)明所述多光束生成元件為能夠產(chǎn)生三維光子晶體的元件，該多光束生成元件包括4個反射鏡和4個量角器，4個反射鏡為反射率高達99％的反射鏡，4個量角器為可以精確測量角度的量角器，4個反射鏡分別位于正四邊形的四個邊上；4個反射鏡的角度可在0°～45°變化，可通過邊上的量角器進行精確測量，通過改變反射鏡的角度即可改變相干光之間的夾角，從而精確控制微納結構的周期。使用時，只需調節(jié)反射鏡至適當?shù)慕嵌染涂梢愿淖冄胤ň€方向過來的平行光的光路；只要保證4個反射鏡的角度相同就可使這些相干光匯聚在特定位置上。

與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明的工作原理及有益效果如下：

本發(fā)明運用五束光全息干涉術制造三維光子晶體，利用特殊的多光束生成元件搭建干涉光路，可通過改變反射鏡的角度來改變相干光之間的夾角，獲得周期連續(xù)可調的光子晶體。該系統(tǒng)光路相較于通常采用的干涉光路而言結構簡單，可操作性強。

本發(fā)明的原理是利用五束光的干涉在光刻膠板上記錄其干涉強度分布，而后通過顯影等流程在光刻膠板上制造出三維光子晶體結構。本發(fā)明的關鍵在于采用了特殊的多光束生成元件能夠對相干光的夾角進行精確調控，從而有效精準地控制光子晶體的周期。這種元件與現(xiàn)有的多光束干涉裝置相比，具有以下優(yōu)點：光路簡單，操作簡便，器件要求低，成本低廉，調控尺度大，穩(wěn)定性好，實用性強，有效制備面積大。另外，還有一種基于透鏡準直、聚焦的干涉鏡頭也可實現(xiàn)多光束干涉光刻，經(jīng)分光元件分光后的各束光經(jīng)透鏡準直后再由聚焦透鏡進行合束，在待刻樣片表面形成干涉。然而，這種干涉裝置并不能調節(jié)各光束在樣片表面的入射角，光刻所得結構的周期不能連續(xù)可調，因此限制了該干涉鏡頭的實際應用。

本發(fā)明克服了現(xiàn)有多光束干涉光刻系統(tǒng)存在的光路復雜、光束入射角調整困難等缺點，利用該系統(tǒng)，僅需通過調節(jié)反射鏡的角度即可改變各光束的光路，即可實現(xiàn)相干光之間夾角的連續(xù)可調并精準控制，從而獲得周期連續(xù)可調的三維光子晶體。本發(fā)明操作簡單，實用性強，成本低廉，可移植性強，可作為光學器件廣泛應用于實驗室的研究與工業(yè)的生產(chǎn)中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的結構組成示意圖。

圖2為多光束生成元件結構的主視示意圖。

圖3為多光束生成元件結構的剖面示意圖。在圖3中，反射鏡上的圓弧箭頭表示反射鏡可以繞著支點來回轉動，轉動角度為0°～45°。

圖4為本發(fā)明運行時多光束生成元件工作原理圖。在圖4中，當凸透鏡產(chǎn)生的平行光束經(jīng)過多光束生成元件后，被分成了五束相干光，這些相干光聚集在光刻膠板的特定位置上，標記E0、E1、E2、E3、E4分別代表其中一束相干光，E0為垂直通過方孔的平行光(不受反射鏡影響的部分)；E1、E2、E3、E4為分別由4個反射鏡所產(chǎn)生的平行光；6：光刻膠板。

圖5為通過MATLAB軟件模擬的由多光束干涉光刻設備所制備出的光子晶體結構。在圖5中，陰影部分61、62代表光刻膠被曝光的區(qū)域，通過顯影這些區(qū)域會被溶解掉變成一個個坑，其余的空白區(qū)域63則代表沒有被曝光的區(qū)域，則這些區(qū)域通過顯影后會被保留下來?？梢钥吹浇?jīng)過曝光以后，光刻膠上的結構具有很好的周期性，并且是雙周期的，這種特殊結構是該裝置能夠制備出的結構之一。通過改變反射鏡的不同組合還可以制備出各種不同的結構。因為正性光刻膠的工作原理是經(jīng)光照后，在曝光區(qū)能很快地發(fā)生光固化反應，使得這種材料的物理性能，特別是溶解性、親合性等發(fā)生明顯變化，從而變成可溶物質，經(jīng)適當?shù)娜軇┨幚恚苋タ扇苄圆糠?，得到所需圖像。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明。

本發(fā)明是基于多光束干涉法制造可變周期光子晶體的裝置，當要用該裝置來制備三維光子晶體，需通過以下步驟實現(xiàn)：

步驟1：如圖1所示，在激光器1輸出激光的傳播方向放置空間濾波器2，同時要求空間濾波器2的出光口需處于凸透鏡4的焦點處，當激光經(jīng)空間濾波器2擴束后，激光會變成一束發(fā)散光，因為這束發(fā)散光的發(fā)散點處于凸透鏡4的焦點處，故通過凸透鏡4后會變成一束平行光，可以根據(jù)需要使用光闌3調節(jié)發(fā)散光照射到凸透鏡上的區(qū)域大小，從而控制平行光束的截面積大小，在這束平行光的光路上放置多光束生成元件5，當平行光束照射到多光束生成元件5上會被元件上的反射鏡改變光路，從而產(chǎn)生多束相干的平行光束。從圖2與圖3中可以看到多光束生成元件5上的4個反射鏡511～514都可以繞著支點隨意轉動，具體角度可以通過4個量角器521～524上的刻度讀出，調節(jié)反射鏡于適當角度，可使由這些反射鏡產(chǎn)生的平行光通過元件5上的方形孔匯聚到元件5的后方，在光聚集的區(qū)域放置光刻膠固定臺，最后在固定臺上放入光刻膠6即可進行曝光實驗。

在圖2中，標記53為底板，54為通光孔。在圖3中，標記55為轉動支點，56為刻度。

圖4給出本發(fā)明運行時多光束生成元件工作原理圖。在圖4中，當凸透鏡產(chǎn)生的平行光束經(jīng)過多光束生成元件后，被分成了五束相干光，這些相干光聚集在光刻膠板的特定位置上，標記E0、E1、E2、E3、E4分別代表其中一束相干光，E0為垂直通過方孔的平行光(不受反射鏡影響的部分)；E1、E2、E3、E4為分別由4個反射鏡所產(chǎn)生的平行光；6：光刻膠板。

步驟2：固定激光器的輸出功率為100mw，曝光時間為120s，曝光時間的長短會影響做出來結構的縱向深度，曝光時間更長則深度相對更深，可根據(jù)需要，改變曝光時間。曝光之后將光刻膠放到溶度為1％的氫氧化鈉溶液中顯影，顯影時間的長短也會影響顯影效果，一般控制在10s左右，效果更好。具體情況視曝光時間而定，一般曝光時間長，其所需的顯影時間會短一些。顯完影后用清水沖干凈，再放于干燥處自然晾干或者用氮氣槍吹干。完成這些步驟三維光子晶體就已經(jīng)制備完成了。

步驟3：通過以上的兩個步驟可以制備出一種特定周期的光子晶體，若需要改變光子晶體的周期就需進行以下步驟，調節(jié)多光束產(chǎn)生元件5上的反射鏡，即可調節(jié)由這些反射鏡產(chǎn)生的相干光之間的夾角。圖5給出通過MATLAB軟件模擬的由多光束干涉光刻設備所制備出的光子晶體結構。在圖5中，陰影部分61、62代表光刻膠被曝光的區(qū)域，通過顯影這些區(qū)域會被溶解掉變成一個個坑，其余的空白區(qū)域63則代表沒有被曝光的區(qū)域，則這些區(qū)域通過顯影后會被保留下來?？梢钥吹浇?jīng)過曝光以后，光刻膠上的結構具有很好的周期性，并且是雙周期的，這種特殊結構是該裝置能夠制備出的結構之一。通過改變反射鏡的不同組合還可以制備出各種不同的結構。因為正性光刻膠的工作原理是經(jīng)光照后，在曝光區(qū)能很快地發(fā)生光固化反應，使得這種材料的物理性能，特別是溶解性、親合性等發(fā)生明顯變化，從而變成可溶物質，經(jīng)適當?shù)娜軇┨幚?，溶去可溶性部分，得到所需圖像。由圖5可以看到反射鏡與量角器之間有一個夾角θ，這個角度可以通過量角器上的刻度尺精確讀出。由幾何關系，可以發(fā)現(xiàn)處于對位的兩束光比如E1與E3或E2與E4，它們之間的夾角剛好等于4θ，而這個θ可以在0°～45°之間連續(xù)變化，也就是這些光的夾角可以在0°～180°之間連續(xù)變化，因此所制備的光子晶體的周期就涵蓋了最大與最小之間的所有可能性，如此大的調控范圍也是本設備的特點之一。

步驟4：若僅僅想要4束光的干涉，則可以在多光束產(chǎn)生元件5的方形孔正前方放置一個擋光屏，這個擋光屏可以有效地擋住垂直通過方形孔的光，即不讓E0產(chǎn)生，這樣就可以實現(xiàn)E1、E2、E3、E4這四束光之間的干涉。另外，若想實現(xiàn)雙光束干涉，則僅需在以上的基礎上，將其中一對處于對位的反射鏡角度調至0°即可。

步驟5：若將上一個步驟中的擋光屏換成是一個半波片，則可以調節(jié)E0與另外四個相干光之間的相位差。

其中步驟1所述的激光器為氬離子激光器，工作波長為457.9nm，功率變化范圍是0到120mw，電流變化范圍是0～55A，穩(wěn)定性較好。

其中，所述的反射鏡是反射率高達99％的鏡片，反射鏡的反射率越高，產(chǎn)生的分光束就與原來的光越接近，干涉效果越好。