崔麗彬，邱 菊，趙 潔，薛紅玲

（北京工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)學(xué)院，北京 101101）

1 引言

激光的相干性很強(qiáng)，多束激光的空間干涉形成了亞微米大小的周期格陣的光強(qiáng)分布，因此，在記錄介質(zhì)中產(chǎn)生周期性的強(qiáng)弱曝光分布.經(jīng)顯影和定影處理后，光強(qiáng)在介質(zhì)中的空間分布轉(zhuǎn)化為折射率的空間分布，假設(shè)這種轉(zhuǎn)化是線性的，則強(qiáng)曝光處對(duì)應(yīng)于折射率的極大值，弱曝光處對(duì)應(yīng)于折射率的極小值.這樣全息介質(zhì)就具有了周期性電容率結(jié)構(gòu).激光全息方法在制作亞微米量級(jí)的結(jié)構(gòu)方面具有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，其他技術(shù)［1］，如半導(dǎo)體加工工藝，很難做到亞微米的尺度.激光全息在亞微米量級(jí)的微加工制作方面的應(yīng)用，使人們進(jìn)一步看到了激光全息技術(shù)的應(yīng)用前景和潛力.

2 理論依據(jù)

用2束、3束光分別能形成1維、2維的光強(qiáng)分布的周期格陣.近幾年人們致力于用多束光形成3維光強(qiáng)分布的周期格陣［2-5］.計(jì)算結(jié)果［6］發(fā)現(xiàn)14種基本的布拉格點(diǎn)陣大部分能通過(guò)多光束干涉構(gòu)成.基于對(duì)稱性的考慮，要構(gòu)成3維周期的相干圖樣，至少需要4束對(duì)稱排列的入射光.4束光干涉如圖1所示，取球坐標(biāo)的原點(diǎn)作為相干區(qū)域的中心點(diǎn).每束光的極角和方位角分別用θ和φ 表示.其中第1和第2 束在A 平面內(nèi)，第3和第4束在B 平面內(nèi)，且平面內(nèi)的每束光與另一平面的每束光的極角互補(bǔ).如果平面A 與B 不垂直，得到的圖樣為體心單斜或四方晶格點(diǎn)陣，否則為體心正方點(diǎn)陣.當(dāng)極角為某些確定值時(shí)，變?yōu)檎⒎近c(diǎn)陣.從圖1 中可以看到，光束1 和2以及光束3和4幾乎要從2個(gè)相反的方向射向原點(diǎn).這在實(shí)驗(yàn)安排上很困難.因此，本文采用了一種實(shí)用光路，使光束從相同的半空間內(nèi)射向原點(diǎn).模擬計(jì)算表明，讓第1 束光與z軸同向，另3束光以相同的極角射向原點(diǎn).另3束光之間的夾角兩兩相等，即方位角差均為120°時(shí)，光學(xué)晶格為面心結(jié)構(gòu).當(dāng)?shù)?，3 束光位于A 面，并對(duì)稱地分布在z軸兩側(cè).第4束光位于B 面.此時(shí)光學(xué)晶格為體心四方.

圖1 四束入射相干光的空間分布

3 實(shí)驗(yàn)制作

采用Berger 等人［7-8］的方法，利用多個(gè)光柵對(duì)1束平行光進(jìn)行衍射，進(jìn)而得到所需的光束偏轉(zhuǎn)角度.

采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)光路制作光柵母板.采用Meils Griot公司的85-BLT-601型激光器，輸出波長(zhǎng)為457.9nm，輸出功率為330 mW，線寬為200kHz.制作實(shí)驗(yàn)中使用1μm 厚的光刻膠.圖3是使用該光路進(jìn)行1次曝光的光柵照片（放大1 000倍），實(shí)驗(yàn)中2束光的夾角39°.

圖2 制作光柵母板的實(shí)驗(yàn)光路

圖3 光柵的顯微鏡照

實(shí)驗(yàn)中將全息底片固定在可以旋轉(zhuǎn)360°并且?guī)в袦?zhǔn)確刻度的圓盤上，并在其前方緊貼光刻膠的位置放置遮光罩，僅在需要曝光的位置開(kāi)孔，以此來(lái)盡量減少曝光時(shí)對(duì)感光底片其他區(qū)域造成的影響.第1次曝光后之后，讓底片旋轉(zhuǎn)120°，曝光得到第2個(gè)光柵，再旋轉(zhuǎn)120°，曝光制作出第3個(gè)光柵.經(jīng)過(guò)顯影、定影后，形成如圖4所示的3個(gè)光柵的分布，這就是實(shí)驗(yàn)制作面心立方結(jié)構(gòu)所需要的光柵母板.用平行光束垂直入射到母板，該光柵的1級(jí)衍射光強(qiáng)分布如圖5所示，用功率計(jì)測(cè)量光通過(guò)光柵前后的光強(qiáng)大小，測(cè)出光柵衍射效率可以達(dá)到40%.

圖4 3個(gè)光柵的空間分布

圖5 平行光入射到光柵母板后的1級(jí)衍射圖樣

當(dāng)平行光射到母板上時(shí)，光經(jīng)3個(gè)光柵發(fā)生衍射.中間不經(jīng)過(guò)光柵的透射光與3束衍射光相交.通過(guò)控制光柵常量及光柵的空間方位，可使3束衍射光之間及與中間透射光之間的角度等于39°，這一角度滿足制作面心立方結(jié)構(gòu)的要求.從而形成面心立方結(jié)構(gòu)的光學(xué)晶格結(jié)構(gòu).

面心立方晶體結(jié)構(gòu)的制作光路如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中所用的記錄介質(zhì)為厚度36μm 的重鉻酸鹽明膠（DCG）.由于重鉻酸鹽明膠全息圖是由折射率變化導(dǎo)致的純相位分布結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有表面的浮雕結(jié)構(gòu)和介質(zhì)內(nèi)部的空隙，因此，無(wú)法得到電鏡片，只能通過(guò)可見(jiàn)光觀察.當(dāng)用可見(jiàn)光照射時(shí)，折射率的空間變化導(dǎo)致透射光強(qiáng)的空間分布，由此顯示出介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu).用裝有CCD 相機(jī)的1 200倍顯微鏡在可見(jiàn)光下觀察并拍攝其晶格結(jié)構(gòu).圖7給出了用重鉻酸鹽明膠介質(zhì)制作的面心立方結(jié)構(gòu)光子晶體的（111）面顯微照片.這是我們所能得到的最大放大倍數(shù)的顯微照片.

圖6 面心立方晶體結(jié)構(gòu)的制作光路

圖7 用厚度為36μm 的重鉻酸鹽明膠記錄的面心立方結(jié)構(gòu)光子晶體的（111）面顯微照片

計(jì)算結(jié)果表明用波長(zhǎng)為457.9nm 的光制作的面心立方結(jié)構(gòu)晶體，其晶格常量為1.1μm，這一數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

4 結(jié)論

用四束激光干涉的方法制作出了亞微米量級(jí)的面心立方結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中是用光柵母版來(lái)調(diào)整相干光之間的方位角，通過(guò)改變光柵常數(shù)就可以得到我們所需要光的傳播角度，這樣就解決了在實(shí)際光路中安排多束光時(shí)帶來(lái)的困難.用類似的方法還可以制作其他類型的光學(xué)晶格結(jié)構(gòu).此外，如果實(shí)驗(yàn)中用光刻膠作為記錄介質(zhì)，曝光強(qiáng)的格點(diǎn)處在顯影時(shí)被洗掉，可以在這些位置上填充其他材料.因此，就可以制作出實(shí)際需要材料的三維周期結(jié)構(gòu).

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