全息方法制作面心立方晶格結構

崔麗彬，邱 菊，趙 潔，薛紅玲

（北京工業大學 實驗學院，北京 101101）

1 引言

激光的相干性很強，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分布，因此，在記錄介質中產生周期性的強弱曝光分布.經顯影和定影處理后，光強在介質中的空間分布轉化為折射率的空間分布，假設這種轉化是線性的，則強曝光處對應于折射率的極大值，弱曝光處對應于折射率的極小值.這樣全息介質就具有了周期性電容率結構.激光全息方法在制作亞微米量級的結構方面具有其他方法無可比擬的優勢，其他技術［1］，如半導體加工工藝，很難做到亞微米的尺度.激光全息在亞微米量級的微加工制作方面的應用，使人們進一步看到了激光全息技術的應用前景和潛力.

2 理論依據

用2束、3束光分別能形成1維、2維的光強分布的周期格陣.近幾年人們致力于用多束光形成3維光強分布的周期格陣［2-5］.計算結果［6］發現14種基本的布拉格點陣大部分能通過多光束干涉構成.基于對稱性的考慮，要構成3維周期的相干圖樣，至少需要4束對稱排列的入射光.4束光干涉如圖1所示，取球坐標的原點作為相干區域的中心點.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，第3和第4束在B 平面內，且平面內的每束光與另一平面的每束光的極角互補.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陣，否則為體心正方點陣.當極角為某些確定值時，變為正立方點陣.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個相反的方向射向原點.這在實驗安排上很困難.因此，本文采用了一種實用光路，使光束從相同的半空間內射向原點.模擬計算表明，讓第1 束光與z軸同向，另3束光以相同的極角射向原點.另3束光之間的夾角兩兩相等，即方位角差均為120°時，光學晶格為面心結構.當第2，3 束光位于A 面，并對稱地分布在z軸兩側.第4束光位于B 面.此時光學晶格為體心四方.

圖1 四束入射相干光的空間分布

3 實驗制作

采用Berger 等人［7-8］的方法，利用多個光柵對1束平行光進行衍射，進而得到所需的光束偏轉角度.

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

圖2 制作光柵母板的實驗光路

圖3 光柵的顯微鏡照

實驗中將全息底片固定在可以旋轉360°并且帶有準確刻度的圓盤上，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孔，以此來盡量減少曝光時對感光底片其他區域造成的影響.第1次曝光后之后，讓底片旋轉120°，曝光得到第2個光柵，再旋轉120°，曝光制作出第3個光柵.經過顯影、定影后，形成如圖4所示的3個光柵的分布，這就是實驗制作面心立方結構所需要的光柵母板.用平行光束垂直入射到母板，該光柵的1級衍射光強分布如圖5所示，用功率計測量光通過光柵前后的光強大小，測出光柵衍射效率可以達到40%.

圖4 3個光柵的空間分布

圖5 平行光入射到光柵母板后的1級衍射圖樣

當平行光射到母板上時，光經3個光柵發生衍射.中間不經過光柵的透射光與3束衍射光相交.通過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構的要求.從而形成面心立方結構的光學晶格結構.

面心立方晶體結構的制作光路如圖6所示，實驗中所用的記錄介質為厚度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致的純相位分布結構，而沒有表面的浮雕結構和介質內部的空隙，因此，無法得到電鏡片，只能通過可見光觀察.當用可見光照射時，折射率的空間變化導致透射光強的空間分布，由此顯示出介質內部的結構.用裝有CCD 相機的1 200倍顯微鏡在可見光下觀察并拍攝其晶格結構.圖7給出了用重鉻酸鹽明膠介質制作的面心立方結構光子晶體的（111）面顯微照片.這是我們所能得到的最大放大倍數的顯微照片.

圖6 面心立方晶體結構的制作光路

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

計算結果表明用波長為457.9nm 的光制作的面心立方結構晶體，其晶格常量為1.1μm，這一數值與實驗結果一致.

4 結論

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

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［7］Berger V，Gauthier-Lafaye O，Costard E.Photonic band gaps and holography［J］.J.Appl.Phys.，1997，82（1）：60-66.

［8］李爭路，笒剡.平行光斜入射光柵（矩孔）的衍射光場［J］.物理實驗，2011，31（8）：43-46.