非對稱光束干涉制備二維微納光子結構研究?

呂浩 尤凱 蘭燕燕 高冬 趙秋玲 王霞

1)(青島科技大學數理學院,青島 266061)

2)(山東省新型光電材料與技術工程實驗室,青島 266061)

非對稱光束干涉制備二維微納光子結構研究?

呂浩1)2)尤凱1)2)蘭燕燕1)2)高冬1)2)趙秋玲1)2)王霞1)2)?

1)(青島科技大學數理學院,青島 266061)

2)(山東省新型光電材料與技術工程實驗室,青島 266061)

(2017年7月6日收到;2017年8月6日收到修改稿)

多光束干涉,非對稱,光子結構,偏振

1 引 言

微納光子結構指內部微觀周期在微納尺度,且對光的產生、傳輸、調控、探測和傳感具有特定作用的結構.微納光子結構的研究隨著光子學、半導體物理學及微加工技術的發展而逐漸成為研究熱點.以光子晶體(photonic crystals)[1,2]、表面等離子體(plasmonics)[3]和超材料(metamaterials)[4]為主要分類的微納光子結構在光信息領域發揮著日趨重要的作用,并相繼有很多新的成果出現[5?9].人工制作的微納光子結構在表面激光發射、光波導、高Q值激光器等方面具有重要應用潛力,其加工制作方法主要有激光直寫[10]、電子束直寫[11]、電化學腐蝕[12]、激光全息光刻[13]等.

激光全息光刻技術利用多束激光相互干涉產生空間全息圖案并記錄于合適的介電材料上形成有序的微結構,具有制作成本低、面積大、周期短、效率高等優勢,近年來在微納光子結構制備方面得到了較多應用.通過改變干涉光路構型,可方便調節所制作光子結構樣品的結構形貌、周期,光波響應范圍可從幾百納米到幾微米.將光束的排布由對稱分布變為非對稱分布,可以獲得多種形狀的二維點陣[14]和二維準晶結構[15].Jiménez-Ceniceros等[16]計算分析了多光束干涉中方位對稱性和偏振對結構的影響,調整干涉光束的偏振、相位、曝光次數等參數,可以獲得二維棋盤式、正方格子等復式結構[17?20].采用多次曝光全息光刻技術,Solak[21]制作了二維準周期結構,Lai等[22]制作了二維復式結構.這些嘗試都為全息光刻技術制備二維微納光子結構研究提供了新的思路.但是全息光刻多次曝光實驗中對于曝光和樣品的旋轉控制仍然較難操作,實驗過程中光束偏振的控制、光路的精密調控、樣品結構的曝光顯影處理等方面仍然存在挑戰.

在前期全息光刻制作微納結構研究的基礎上[23?26],本文基于多光束干涉理論,模擬分析了4束和5束非對稱光干涉獲得二維微納光子結構,通過改變光束的構型、方位角和偏振組合,獲得了不同格點排布的干涉結構.實驗中采用多切面棱鏡分光單次曝光技術,通過λ/2波片調節光束的偏振,利用CHP-C正性感光膠獲得了與模擬相符合的二維微納光子結構.

2 激光全息干涉理論

根據光的干涉疊加原理,N束單色平面波Ei=Eiei(ki·r+δi)(i=1,···,N)干涉光強的空間分布I(r)可以表示為

其中,Ei(r),ki和δi分別是第i束平面光波的復振幅矢量、波矢和初相;Gij=ki?kj和δij=δi?δj分別為波矢差和初相位差,選取δij=0.由(1)式可知,干涉場光強的空間分布I(r)僅決定于波矢差Gij=ki?kj的大小和方向,改變各入射光的波矢ki的方向,可得到不同的空間周期排布.

計算機模擬可為全息干涉實驗中光束構型與偏振的調控提供理論指導,促進微結構的制備和優化.在模擬中,以圖1所示對稱分布4束光為例,定義干涉光路中旁路光束的波矢為ki=k(?cosθisinφ,?sinθisinφ,cosφ),其中,k=2π/λ;λ=488 nm為相干激光的波長;φ為ki和z軸的夾角;ωi表示光束的偏振角,即光束的復振幅矢量Ei和其入射平面之間的夾角;θ表示方位角,即光束在x-y面的投影與x軸正方向之間的夾角.光束的電場復振幅矢量可以表示為

為了優化計算,我們取|Ei|=1,i=1,···,N,光束的入射角為42°.將干涉光強數據在Linux系統下導入opendx軟件,根據干涉光強值分布特征,歸一化后選取恰當的閾值把數據中大于設定值的區域舍掉,保留小于閾值的部分,轉化為空間排布的光學晶格模型.

圖1 直角坐標系中多束光干涉光路圖Fig.1.Schematic setup for multiple beams interference in rectangular coordinate system.

3 實驗過程

以非對稱4束光為例,實驗中搭建如圖2所示光路.圖2(a)為光路示意圖,圖2(b)為實驗光路實物圖.選用CHP-C正性光刻膠[27],對488 nm光的吸收率約為70%,折射率為1.54,通過曝光和顯影處理可獲得均一性較好的光子結構.從氬離子激光器發出的488 nm線偏光,通過準直擴束系統和多孔光闌后獲得4束相干光,從多切面棱鏡底部入射到側表面并發生全反射,以相同入射角在棱鏡上表面匯聚干涉,厚度約8μm的CHP-C感光膠置于棱鏡上表面,膜面向下,最上面放置導光棱鏡導出光束.在所有接觸面之間滴加折射率液,防止多次反射和折射對結構產生影響.光闌小孔內放置λ/2波片,通過轉動波片精確調節各光束偏振角度.整個光路及器件放置在光學防震平臺上,減小外界環境對干涉結構的影響.

CHP-C感光膠對488 nm激光的靈敏度約為20 mJ/cm2,實驗中通過調整光束的功率和曝光時間來控制曝光量.每束光的功率約為18—20 mW,根據實驗所采用的光束數目不同,曝光時間選擇20—30 s.功率太小或曝光時間太短不足以引起樣品的聚合反應,觀察不到周期結構;功率太大或曝光時間太長會使樣品過多區域發生感光反應,在顯影時全部洗掉[27].曝光完成后用去離子水沖洗掉表面的折射率液,放入質量濃度為1%的NaOH溶液中顯影8 s左右,最后用去離子水沖掉表面殘留的顯影液,空氣中自然晾干后獲得所需樣品.

圖2 (網刊彩色)非對稱光束制備二維微納光子結構光路圖 (a)示意圖,左上角插圖為4孔光闌;(b)實物圖Fig.2.(color online)Symmetry-lost coherent beams interference setup for two-dimensional micro-nano photonic structures fabrication with(a)schematic configuration and(b)optical elements setup,while the left-top inset of(a)is mask with four holes.

4 結果與分析

4.1 非對稱4束光干涉

圖3 (網刊彩色)非對稱4束光0°,0°,0°,0°偏振組合干涉結構 (a)光束構型及偏振方向示意圖;(b)x-y面內光束波矢差分布;(c)閾值0.5時的模擬結果;(d)實驗制備結構的SEM圖Fig.3.(color online)Structures by the interference of 4 symmetry-lost beams with polarization 0°,0°,0°,0°:(a)Beam setup and polarization directions;(b)wave-vector di ff erence distribution in x-y plan;(c)simulation results with threshold cuto ffof 0.5;(d)SEM image of experimental results.

非對稱光束是指多束光以相同入射角繞z軸分布,但不呈傘型對稱[28].如非對稱4束光分布于x-z面一側,各光束在x-y面的投影均在x軸上或y軸正方向,4束光的方位角分別為(0°,60°,120°,180°),如圖3(a)和圖3(b)所示.當4束光的偏振都為0°時,即圖3(a)中x-y面內雙向箭頭的方向,得到圖3(c)所示干涉結構,每一個結構單元為不規則長方形,尺寸約為0.3μm×0.5μm,模擬中選取的歸一化閾值為0.5(最小光強為0,最大光強為1,下同).4束光中每相鄰兩束的波矢差在x-y面內排布為圖3(b)所示的1/2個正六邊形ABCD,干涉結構將沿著該構型在平面內擴展,因而干涉格點整體上仍呈六角格點排布.圖3(d)為實驗制備樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖,所用測量儀器為Hitachi FE-SU8010場發射掃描電子顯微鏡.結構在較大范圍內呈整齊均勻的六角分布,每一個長方形小結構單元是由感光膠未被洗掉的凸起部分構成的,周期約0.3μm×0.5μm.由于干涉過程中,干涉格點不同位置的光強分布存在差別,顯影后留下部分的深度不同,從而獲得二維結構.

激光全息干涉中,影響干涉結構的因素很多,光束偏振的調節會影響光學格點的亮暗對比度和清晰度.將4束光的偏振均調整為圖4(a)所示的45°,結構單元棱邊變寬,y方向相鄰結構單元之間填充變多,出現了小的凸起,形成凸點連接的橢圓狀結構,如圖4(b)所示,模擬中選取的歸一化閾值為0.5.由于沒有改變光束的構型和入射角,干涉結構的對稱性和周期都未發生改變.實驗獲得了圖4(c)所示的均勻干涉結構,結構單元與模擬分析結果一致,均勻區域約為4 mm×4 mm.

進一步把所有光束偏振都調節為90°,如圖5(a)所示,y方向相鄰結構單元之間填充更多,橢圓間小的凸起之間開始交聯,在橢圓結構單元內部形成如圖5(b)所示的枝節狀條紋,相鄰竹節之間約0.35μm,原周期性結構變為嵌套的復式結構,模擬中選取的歸一化閾值為0.5.實驗中獲得了與模擬結果一致的光子結構,如圖5(c)所示.復式結構有望獲得完全光子帶隙[17],促進二維光子晶體的應用研究.

圖4 (網刊彩色)非對稱4束光45°,45°,45°,45°偏振組合干涉結構 (a)光束構型及偏振方向示意圖;(b)閾值0.5時的模擬結果;(c)實驗制備結構的SEM圖Fig.4.(color online)Structures by the interference of 4 symmetry-lost beams with polarization 45°,45°,45°,45°:(a)Beam setup and polarization directions;(b)simulation results with threshold cuto ffof 0.5;(c)SEM image of experimental results.

圖5 (網刊彩色)非對稱4束光90°,90°,90°,90°偏振組合干涉結構 (a)光束構型及偏振方向示意圖;(b)閾值0.5時的模擬結果;(c)實驗制備結構的SEM圖Fig.5.(color online)Structures by the interference of 4 symmetry-lost beams with polarization 90°,90°,90°,90°:(a)Beam setup and polarization directions;(b)simulation results with threshold cuto ffof 0.5;(c)SEM image of experimental results.

4.2 非對稱5束光干涉

改變光束構型,將光束由4束增加為5束,即在4.1節分析的情形中以相同方位角增量添加光束k5,如圖6(a)所示,5束光的方位角為(0°,60°,120°,180°,240°). 由于多增加一光波矢,相鄰光束波矢差便會增加,如圖6(b)所示,但是由于所有波矢差都在二維平面內,且AB,BC,CD,DE長度相等,所以其仍可以用相同的兩個波矢差分量表示所有的波矢差[29],結構整體同樣呈六角格點排布.當五束光的偏振為(90°,90°,90°,90°,0°)時,獲得圖6(c)帶枝節的波浪結構,y方向的結構周期約為0.5μm,模擬中選取的歸一化閾值為0.3.實驗獲得了圖6(d)的結構,整體排布與模擬結果相同,但是由于枝節在兩個相鄰的波浪單元連接處,顯影過程的處理會對其造成破壞,SEM觀察的枝節不如模擬結果明顯.

圖6 (網刊彩色)非對稱5束光90°,90°,90°,90°,0°偏振組合干涉結構 (a)光束構型及偏振方向示意圖;(b)x-y面內光束波矢差分布;(c)閾值0.3時的模擬結果;(d)實驗制備結構的SEM圖Fig.6.(color online)Structures by the interference of 5 symmetry-lost beams with polarization 90°,90°,90°,90°,0°:(a)Beam setup and polarization directions;(b)wave-vector di ff erence distribution in x-y plan;(c)simulation results with threshold cuto ffof 0.3;(d)SEM image of experimental results.

5 結 論

本文分析了非對稱光束干涉制備不同周期形貌的微納光子結構,改變光束的構型、對稱性和偏振組合,獲得了波形狀、枝節狀等格點結構.采用激光全息光刻技術,利用CHP-C正性感光膠制作了多種較大面積的二維光子結構,實驗方法簡單可行,實驗結果與計算機模擬結果相符合.采用非對稱光束激光全息技術成功獲得二維微納光子結構,為復式結構和缺陷模式光子晶體的制備提供了方法和條件,對新型光電材料和集成光子器件的研究具有重要的應用意義.

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PACS:78.67.Pt,42.40.Kw,42.25.Hz,42.25.Ja DOI:10.7498/aps.66.217801

*Project supported by the Project of Shandong Province Higher Educational Science and Technology Program,China(Grant No.J14LJ06),the Natural Science Foundation of Shandong Province,China(Grant No.ZR2014FP012),and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11274189,11504194).

?Corresponding author.E-mail:phwangxia@163.com

Fabrication of two-dimensional micro-nano photonic structures by symmetry-lost beams interference?

Lü Hao1)2)You Kai1)2)Lan Yan-Yan1)2)Gao Dong1)2)Zhao Qiu-Ling1)2)Wang Xia1)2)?

1)(College of Mathematics and Physics,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,China)
2)(Shandong Advanced Optoelectronic Materials and Technologies Engineering Laboratory,Qingdao 266061,China)

d 6 July 2017;revised manuscript

6 August 2017)

Micro-nano photonic structures,such as meta-materials and photonic crystals,having special effects on light generation,transmission,detection and sensing on a submicron scale,play an increasingly signifi cant role in optical information fields.Micro-nano photonic structures have great potential applications in surface laser emission,optical waveguide and high-Qlaser.There are several methods to fabricate micro-nano photonic structures,including laser direct writing,electron beam direct writing,electrochemical corrosion,and holographic lithography and so on.Holographic lithography employs multi-beam interference to generate periodic patterns and records them on photosensitive materials to form typical structures.What is more,it has advantages of low cost,large area and high efficiency.However,there are still some challenges in fabricating typical micro-nano photonic structures,especially the precise optical alignment,beam polarization and control of the details of local interference pattern.A specially designed prism is employed in this work and we propose a compact symmetry-lost setup with the rapid adjustment of beam configuration and polarization.

Based on the theory of multi-beam interference,symmetry-lost four-and fi ve-beam interference with different polarizations are simulated.By changing the combination of beam configuration and polarization,novel two-dimensional micro-nano photonic structures can be achieved.The variations of azimuthal angle and polarization of beam in symmetrylost system a ff ect the wave vector di ff erence,and thus changing the lattice shape and structure contrast.Branch-like and wave-like structures are generated by symmetry-lost four beams with polarizations of(90°,90°,90°,90°)and fi ve beams with polarizations of(90°,90°,90°,90°,0°),respectively.An appropriate threshold is selected in simulation,such that the intensity data larger than the threshold are removed,while the smaller data are remained,which is transformed into an optical lattice pattern.The interference structures show different morphologies and structural contrasts,and have a period of several hundred nanometers.

In experimental fabrication,a top-cut hexagonal prism is used to generate two-dimensional micro-nano photonic structure on CHP-C positive photoresist by single exposure.The intensity of each beam is about 18–20 mW,and the incident angle is 42°.The beam polarization is adjusted by rotating a half waveplate inside the holes of the mask and structure volume fraction is determined by exposure dose controlled by beam intensity and exposure time.The scanning electron microscope images of the samples show good agreement with simulation results.This study could provide an effective method of fabricating novel photonic structures,which can be used as templates of fabricating different types of metal lattice structures,thereby promoting the development and applications of novel photonic devices.

multi-beam interference,symmetry-lost,photonic structures,polarization

研究了基于不同偏振組合的非對稱4束和5束光干涉制備二維微納光子結構.通過改變光束的參數組合獲得了枝節狀、波形狀等結構.在非對稱光束干涉中,光束的構型和偏振改變了波矢差分布,從而改變晶格形貌和對比度.利用CHP-C感光膠開展了全息光刻實驗制備,獲得了與模擬一致的光子結構.該研究為制備新穎光子結構提供了有效途徑,此類光子結構還可以為制備不同類型的金屬點陣結構提供模板,對新型光子器件的制備和應用研究具有一定的促進作用.

10.7498/aps.66.217801

?山東省高等學校科技計劃(批準號:J14LJ06)、山東省自然科學基金(批準號:ZR2014FP012)和國家自然科學基金(批準號:11274189,11504194)資助的課題.

?通信作者.E-mail:phwangxia@163.com

?2017中國物理學會Chinese Physical Society