CN104698800A - 一种制备类一维结构的激光全息干涉方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光全息干涉技术领域，涉及一种制备类一维结构的激光全息干涉方法，先由激光器取出5束激光光束绕竖直方向对称分布并汇聚于一点，在5束激光汇聚处添加单一介质膜高反射镜，5束激光光束经过单一介质膜高反射镜反射后产生与原激光光束参数一致的5束镜像光束，再根据所选取的激光光束选择曝光量，获得准晶-周期的三维模型；然后通过偏振调节技术方法，利用单波长半波片将5束激光光束的偏振角度由0°调整为90°，即得到具有凹凸分布的类一维层状结构；其方法简单，原理可靠，过程可控，操作简便，成本低，可重复性高，易于实现，可广泛应用于多种感光介质的制备。

Description

一种制备类一维结构的激光全息干涉方法

技术领域：

本发明属于激光全息干涉技术领域，涉及一种激光全息干涉工艺，特别是一种制备类一维结构的激光全息干涉方法。

背景技术：

激光全息干涉技术是利用多数相干激光汇聚于一点，在汇聚点形成空间周期变化的干涉图案(亦称光学格点),由于干涉场中的记录介质感光程度不同使折射率产生周期性变化从而形成周期变化的有序结构即光子晶体，其结构由相干光的参数决定。目前，所制备的光子结构按照介电常数的空间周期性变化以及光子能隙出现的空间维度，可以分为一维、二维和三维光学格点，分别指在一维、二维和三维空间各方向上具有介电常数的空间和周期性变化和光子频率禁带的光子晶体结构。光子晶体在光学方面的应用要求其周期常数要在亚微米量级，而目前人工制作周期为微米、亚微米量级的多维度光子晶体还存在许多困难，光学波段的光子结构的制备仍然是一项挑战。在目前的光子格点制作中，有精密机械加工法、电子束直写法、激光直写法、胶体自组装法和激光全息光刻法等，激光全息光刻技术近年来因其能够经济、快速灵活、可制作大面积制作等优势，为微纳米尺度不同维度光子结构的制备提供了有效的方法，受到了广泛的重视，已应用于制备二维点阵全息图(专利号为CN1314621A)以及全息三维动态显示(专利号为CN101707724A)等方面。但是已有的方法存在一定的不足，制备不同维度的光子晶体需要搭建不同的干涉光路，光路结构复杂，可变参数多，尤其是当光束数目超过6束时，调节起来则非常复杂，结构制备的重复性欠佳。而利用双光束干涉制作的一维层状结构，层和层之间具有空隙易造成层间坍塌，引入许多缺陷，结构合格率低。利用其他方法制备类一维结构时，获得的结构带隙多落于红外波段，制备可见波段的光子带隙材料较为困难；若采用多数光干涉制备类一维结构，当光束数目较多时，较难确保各束光的光强、偏振、相位的一致性，即便是光路搭建完好，实验时也比较脆弱，稍微有环境的震动、噪声，或者任意一束光不匹配，就会出现结构上的失调，在实验上难以大面积制备类一维结构。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有技术中存在的问题，提供一种全新便捷的制备类一维结构的激光全息干涉方法，通过镜像添加技术和偏振调节技术实现类一维层状干涉结构的制备，制备的类一维层状结构的两层之间规律的分布着一些凹凸，类似于丘陵的起伏，能有效防止层状结构的坍塌，在整体上呈现层状的长程有序，是比较稳定的一类层状结构。

为了实现上述目的，本发明制备类一维结构的激光全息干涉过程为：由常规的激光器取出5束激光光束绕竖直方向对称分布并汇聚于一点，在5束激光汇聚处添加单一介质膜高反射镜，单一介质膜高反射镜的反射面朝下并垂直于竖直方向，5束激光光束分别经过单一介质膜高反射镜反射后产生与原激光光束参数一致的5束镜像光束，再根据所选取的激光光束选择曝光量，使沿竖直方向的等光强面由柱状结构演变为交联结构的周期排布，获得准晶-周期的三维模型；然后通过偏振调节技术方法，利用单波长半波片将5束激光光束的偏振角度由0°调整为90°，使纵向上的交联结构开始逐渐断开，演变为具有凹凸分布的类一维层状结构。

本发明所述激光光束为任意波长的相干激光光束，各激光光束与竖直方向的夹角相等，且能自由调节，各激光光束在x-y投影面的夹角相等，相邻光束投影夹角均为72°。

本发明所述单波长半波片的波长与激光光束的波长相匹配，使单波长半波片能自由调节该激光光束的偏振。

本发明制备的类一维层状结构的每一层表面上有序分布着凹凸的起伏，起伏符合准晶排布，整体上呈一维的长程有序排布，类一维层状结构的周期与入射光束和竖直方向的夹角(即入射角)有关，周期随着入射角的改变而变化。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是突破了激光全息干涉中光束数目多不易调节的瓶颈，通过添加高反射镜引入镜像光束，从而使干涉光束数目翻倍，而且各光束之间的光学性质不发生任何改变，光路搭建便捷有效、光束调节易于实现；二是基于5束激光光束干涉制备准晶的光路，准晶结构在二维平面内交联点较多，通过5+5镜像获得类一维结构时，x-y面内依然保留较多的交联点，给层状结构较大的支撑；三是光束的调节只需调节原光束即可，如入射角、光强、偏振等，镜像光束随着原光束的改变而改变，实现起来简单便捷；四是光束偏振的调节通过半波片的转动实现，操作简单可行；五是通过改变激光光束的入射角改变类一维层状结构的周期，从而获得带隙位于不同位置的类一维层状结构；六是通过调节干涉激光光束的光强改变类一维结构的介质填充比，使得每一层上的凸起填充多少发生改变，从而针对不同的感光材料调节结构的稳定性；其方法简单，原理可靠，过程可控，操作简便，成本低，可重复性高，易于实现，可广泛应用于多种感光介质的制备。

附图说明：

图1为本发明实施例涉及的激光全息干涉光路构型图，其中(a)为5束相干激光干涉光路构型图，(b)为5+5(含镜像光束)束光干涉光路构型图。

图2为本发明实施例5束相干激光干涉所得准晶结构示意图，其中(a)、(c)中5束相干激光的光偏振均为0°，分别为立体图和俯视图；(b)、(d)中5束相干激光的光偏振均为90°，分别为立体图和俯视图。

图3为本发明实施例涉及的5+5束光干涉所有光束偏振均为0°所得准晶-周期结构示意图，其中(a)、(b)和(c)分别为立体图、主视图和左视图。

图4为本发明实施例涉及的5+5束光干涉所有光束偏振均为90°所得类一维结构示意图，其中(a)、(b)和(c)分别为立体图、主视图和左视图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例采用镜像添加技术和偏振调节技术制备类一维结构的，具体实现方法和步骤如下：

(1)取5束相干激光绕z轴对称分布，如图1(a)所示，入射方向与z轴正向夹角为本实施例中相干激光光波波长为488nm，该入射角是制备二维准晶较优的入射角度，各相干激光光束在x-y平面投影相邻之间夹角均为72°，偏振角度为0°或90°。则该5束光在空间可以得到如图2所示的二维准晶结构，(a)(c)为光偏振均为0°时结构的立体图和俯视图；(b)(d)为光偏振均为90°时结构的立体图和俯视图，偏振的改变影响结构在空间的衬比度，从而改变二维平面内准晶的排布，x-y平面内干涉光强分布是呈五重对称的准晶结构，沿z轴方向是柱状分布，即为二维光子晶体结构模型；

(2)将图1(a)中所示光束汇聚处上放置一个单一介质膜全反镜(镜面垂直z轴且与入射光束相对)，经过全反射后汇聚点相当于新增加了5束干涉光，并且与原入射光束关于镜面对称，如图1(b)所示；新增加的光束到达汇聚点的入射角与原入射角互补，其振幅、偏振、光强等参量基本未发生变化，参与干涉的激光由5光束变化到10光束，在光束偏振均为0°时，获得如图3(a)所示干涉结构，由图3(a)和图2(a)比较可见沿竖直的z方向上，不再是柱状分布，开始出现一些柱状的分离，呈现一定的周期排布，即在整体上获得了准晶-周期的复合结构，由图3(b)和(c)可见，在z方向上周期结构交替分布，具有一定的联结性；

(3)保持上述光束配置其他条件不变，采用偏振调节技术来调整改变5光束的偏振方向，通过半波片的旋转匹配，使各光束的偏振角度由0°调整到90°，此时干涉结构由三维准晶-周期结构演变为类一维结构，如图4(a)所示；比较图4(b)(c)与图3(b)(c)的z轴方向结构可见，当偏振角度都为90°时，z方向结构变化显著，由原来(偏振角度为0°时)交联的周期结构变化为具有凹凸分布的类一维层状结构。

本实施例制备的类一维结构中凹凸的出现是因为在x-y平面内，其结构依然具有部分准晶结构的特性，而准晶结构的空间排布和对称性导致光强和光弱的不同分布，因而光强处呈凸起，光弱处呈凹陷，得到类一维结构，实现了干涉结构从二维到三维，从三维到类一维的简捷变换。

本实施例采用激光全息光刻镜像添加技术和偏振调节技术单次曝光制作类一维层状光子晶体结构，设z方向层状结构的周期为d，则其中λ为介质中光波长，为图1所示入射光与竖直方向夹角；通过调节光束入射角度光子带隙位置可在光学波段附近的一个很大范围内调节，层状周期最小可达d＝λ/2，在光波长量级，通过调节入射角度可以简单快捷的制备不同周期的类一维结构。

本实施例选择5束相干激光作为干涉模型基础，具有以下几个原因：一是5束相干激光在空间干涉获得准晶结构，准晶结构不同于其他四方、六角等格点分布，空间排布占空比较大，且呈旋转对称，添加镜像光束后，光强和光弱部分区分明显，极易在层状结构上形成凹凸的起伏分布，获得类一维层状光子晶体结构；二是5束相干激光光束的光强、偏振、入射角度的调节在可控范围之内，实际实验中较好操作；三是准晶结构以及由准晶结构演变而来的类一维结构，在光学波段具有较好的带隙品质，应用潜力大。

Claims (4)

1.一种制备类一维结构的激光全息干涉方法，其特征在于制备类一维结构的激光全息干涉过程为：由常规的激光器取出5束激光光束绕竖直方向对称分布并汇聚于一点，在5束激光汇聚处添加单一介质膜高反射镜，单一介质膜高反射镜的反射面朝下并垂直于竖直方向，5束激光光束分别经过单一介质膜高反射镜反射后产生与原激光光束参数一致的5束镜像光束，再根据所选取的激光光束选择曝光量，使沿竖直方向的等光强面由柱状结构演变为交联结构的周期排布，获得准晶-周期的三维模型；然后通过偏振调节技术方法，利用单波长半波片将5束激光光束的偏振角度由0°调整为90°，使纵向上的交联结构开始逐渐断开，演变为具有凹凸分布的类一维层状结构。

2.根据权利要求1所述制备类一维结构的激光全息干涉方法，其特征在于制备类一维结构的激光全息干涉方法，其特征在于所述激光光束为任意波长的相干激光光束，各激光光束与竖直方向的夹角相等，且能自由调节，各激光光束在x-y投影面的夹角相等，相邻光束投影夹角均为72°。

3.根据权利要求1所述制备类一维结构的激光全息干涉方法，其特征在于所述单波长半波片的波长与激光光束的波长相匹配，使单波长半波片能自由调节该激光光束的偏振。

4.根据权利要求1所述制备类一维结构的激光全息干涉方法，其特征在于得到的类一维层状结构的每一层表面上有序分布着凹凸的起伏，起伏符合准晶排布，整体上呈一维的长程有序排布，类一维层状结构的周期与入射光束和竖直方向的夹角有关，周期随着入射角的改变而变化。