激光全息光刻制作一维层状光子晶体及其激射研究

摘要

光子晶体作为可以控制光子运动的新材料，在近十几年来吸引了材料科学、物理学等各个科学领域科学家的极大研究兴趣，并有相当多的研究小组致力于设计制作各种性能优异的光子晶体器件。当前在众多对新型高效光子器件的探索研究中，缺陷模式激射和带边模式激射成为较为引人注目的研究方向之一。研究表明，光子晶体结构的禁带边缘可以发生激光激射。目前研究低阈值激光激射大多是用以手性分子分布的层状结构的天然液晶带隙结构，或者用不同折射率的聚合物交替旋转涂膜方法制备的多层一维带隙结构，也有研究小组采用半导体生长技术或电子束光刻技术来制作光子晶体结构用以研究低阈值激射效应。近几年来，激光全息刻写技术因其能够经济、快速、灵活地制作大面积光子晶体等优势，已成为研究制备光子晶体模板的一种有效途径。本论文主要研究利用激光全息光刻技术，结合不同的感光材料制备一维层状光子晶体，并且获得了具有缺陷模带隙特征的光子晶体。利用所制得的具有良好带隙特征的层状光子晶体结构，根据带隙位置不同，掺杂与之相匹配的有机发光染料，实验研究了层状光子晶体带隙边缘的激光激射现象，即为光子晶体带隙内的自发辐射增强效应，并对其机理进行了理论分析。
　　 本论文的主要研究内容可以概括为以下几个方面：
　　 1．在进行全息光刻微制作之前，计算机数值模拟全息干涉场的空间光强分布可起目标先导作用。本文采用计算机编程模拟技术，采用镜像添加光束技术，改变光束配置，调整改变入射光束的偏振角度，较容易地实现了干涉场光学格点从三维到一维层状结构的转变。
　　 2．在计算机模拟的指导下，利用激光全息光刻技术，在SU8环氧树脂中制作了一维层状光子晶体，并利用扫描电子显微镜(SEM)和光纤光谱仪对所得结构进行表征，实验结果与计算机模拟相符合。所得结构是清晰的层状结构，且在可见光波段内有光子带隙，带隙的位置随着层状结构层间距的增大而发生红移。
　　 3．利用激光全息光刻技术在DCG干版中制作了层状光子晶体，并对其形貌和光谱进行了表征。结果表明不同入射角度得到的层状结构的带隙位置不同。
　　 4．在光子晶体的带边处，光子的群速度骤然降低，光子结构中光子向结构外的能量辐射消散很慢，导致了能量在此的大量集聚。光子态密度在带边位置达到了最大值，发光介质将获得极高的增益，所以在带边比较容易发生激射现象。我们根据层状结构的带隙位置和有机荧光染料的荧光光谱，在DCG制备的层状结构中掺杂适当的有机荧光染料，并对其进行激射实验的研究，在一维光子晶体的带隙边缘观察到了激射现象，而且阈值比较低。