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光子晶体,也称作光子带隙材料。它作为一种新型人工电磁介质的出现,在近二十年来获得了巨大发展,并且已经成为现代光电子技术、传感技术、通信和材料领域等共同关注的热点。因此,光子晶体的制备引起人们的广泛关注。
在光子晶体制备技术的发展史上,出现过半导体微加工技术,胶体自组装技术,激光全息干涉技术以及双光子聚合技术。目前,被广泛应用的是激光全息干涉技术与双光子聚合技术。全息干涉法与双光子聚合法均属于光刻技术,即利用光敏树脂经光刻后产生光聚合反应,固化成型形成光子晶体模板。但两者的光刻原理有着根本的不同。
激光全息干涉法是利用多束非共面光束进行干涉,产生二维或者三维亮暗相间的干涉图样。然后利用某些适当的介电材料记录此干涉图样,该干涉模板即为所需要的周期性晶格结构。此晶格结构的变化周期与所使用的干涉光的波长成比例。激光全息干涉技术有着众多的优点,如空间分辨率高,通过调整入射波矢可以方便地控制于涉图样的形式,可制备加大面积的光子晶体模板。
双光子聚合法是利用飞秒激光的超快超强特性,以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强,诱发光敏树脂的双光子吸收,实现高精度三维加工。双光子聚合法加工精确,柔性好,能实现任意三维结构的加工。
鉴于二者各具特点与优势,本文主要根据不同的需要,结合模拟研究二者对于光子晶体结构的制备。论文的主要研究内容与创新成果如下:
1.根据全息理论分析模拟出制作特定的光子晶体所需的相干光束的光学参数,特别分析了偏振对晶格结构的影响。优化参数配比,使得实验时更加准确快捷,容易制作出不同结构的光子晶体。
2.设计完成全息光刻法光学实验系统的建立,特别使用一种特殊设计的棱镜实现“一步曝光法”,实验光路更加简单易调节。按照模拟结果制备不同的光子晶体结构,记录处理实验数据。并对比模拟分析实验结果,分析影响晶体模板质量的因素。
3.搭建实验系统,采用飞秒激光双光子光聚合法,选择不同实验参数进行光敏胶阈值及线宽的实验,分析结果得出较优化的实验条件,为工艺优化与后续实验提供了直观的实验依据。
4.采用飞秒激光双光子聚合法,在SU8光敏胶中制得三维木柴堆结构。讨论了手性材料,根据带隙模拟结果设置参数,制备层叠结构与螺旋结构的手性三维光子晶体。