一种基于纳米光子结构的多功能薄膜透镜制备及应用

摘要

一种基于纳米光子结构的多功能薄膜透镜制备及应用，属于纳米光子材料及器件技术领域。光束经50%分光镜分束后以全夹角2θ叠加在涂在基底上的记录介质上，0°＜θ＜90°，其中一路光为平行光束，另一路为经过透镜的会聚光或分散光，使两路干涉光具有相同的功率并且在光刻胶薄膜表面以同样的尺寸叠加，进行曝光、显影处理，实现干涉图案在光刻胶薄膜中的记录，完成薄膜透镜的制备。所得薄膜可作凸透镜也可用作凹透镜，只需改变光的入射方向，定义为“二极管”透镜功能；用于波分解复用器功能。

说明书

技术领域

本发明属于纳米光子材料及器件技术领域。利用全息干涉光刻技术将透镜对光束汇聚功能记录在具有光敏特性的薄膜材料中，这样记录在薄膜中的干涉图案不仅具备了透镜的聚焦和成像功能，而且具有“二极管”特性和波分解复用功能。这种薄膜材料可作为一种新型光学元件直接应用于光学系统中，实现对光束的聚焦和扩束等功能。 

背景技术

利用光子晶体实现对光束的调控作用是纳米光学的核心研究内容之一。而实现制备在薄膜中光子晶体对光传输特性的控制对于集成光学、光通信系统以及光信息处理技术具有非常重要的实用价值。目前，虽然在超材料的理论研究方面报导了采用三维光子晶体中复杂的负折射效应来实现对光束传播方向或会聚作用，但尚未实现实际的薄膜器件，能够对真实光束能量实现聚焦。并且利用三维光子晶体实现负折射效应不仅结构复杂，难以直接依据理论模型实现实际器件，并且目前可供操作的制备技术昂贵、工艺过程之复杂使其难以实现大面积和批量制备，其光能量效率也很低。这不仅限制了与超材料密切相关的纳米光子学的发展和实用技术开发，也使得集成光学、光通信技术、光信息处理技术与纳米光子学交叉融合过程中产生革命性的发展受到阻碍。 

本发明正是基于上述问题，提出了一种理论模型简单，制备工艺实用强，可实现光子晶体结构大面积、批量制备的，使得制备在厚度为100纳米的薄膜具备了传统透镜对光束的聚焦作用，并可直接应用于光学工程系 统中。 

发明内容

将传统的光学透镜元件引入全息干涉光刻光学系统中，即双光束干涉系统的一支光路为经过透镜的会聚光或分散光，另一路仍采用平行光束，这样记录介质（如光刻胶薄膜）中就记录了光学透镜的全息功能。经过曝光和显影等工艺过程，就形成了记录有光学透镜全部功能的干涉图案。 

当光束入射到厚度约为100纳米记录有干涉图案的薄膜材料上时，光束将再现原来经过透镜形成的会聚光束，即入射的光束经记录的干涉图案衍射后，光波能量被会聚，产生了与透镜作用完全相同的效果，即记录有纳米光子结构的薄膜材料具备了光学透镜的功能。 

虽然在干涉光刻全息记录过程中采用的紫外光作为曝光光源，而在实际应用中可以采用任意波长的光源，实现薄膜材料的光学透镜功能。具有不同波长光束将以不同的角度、不同的焦距聚焦在薄膜透镜的另一侧。 

本发明中基于纳米光子结构薄膜透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 

建立双光束干涉光刻光学系统(如图1所示)：光束经50%分光镜分束后以全夹角2θ（0°＜θ＜90°）叠加在涂在基底上的记录介质（如光刻胶薄膜）上，其中一路光为平行光束，另一路为经过透镜的会聚光或分散光，使两路干涉光具有相同的功率并且在光刻胶薄膜表面以同样的尺寸叠加，进行曝光、显影处理，实现干涉图案在光刻胶薄膜中的记录，完成薄膜透镜的制备。 

上述的干涉光可经光阑控制光束直径，同时聚焦光束一路内插入衰减片，使得干涉光路的两支具有相同的功率。上述两路干涉光的入射角均为θ。 

记录介质的厚度为100-500nm，优选将S1805光刻胶旋涂在玻璃基片上，将样品置于图1光路中的样品位置。 

记录介质为在所用的光辐照下发生光物理学或光化学反应的物质，可采用光刻胶作为记录介质，也可采用光折变材料、液晶材料、高分子材料等作为记录介质。 

制备过程可采用紫外光或可见光作为记录光源，主要依据于记录介质的光敏特性。既采用连续激光光源，也可采用脉冲激光光源。既可通过光物理学或光化学反应完成干涉图的记录，也可通过强激光与物质发生的灼蚀过程在记录介质薄膜中直写出干涉图样。 

干涉光刻过程中，可采用正透镜(双凸、平凸透镜等)或负透镜(双凹、平凹透镜等)，其焦距可采用现实中所能实现的任何透镜焦距，薄膜透镜的焦距与制备时所采用透镜的焦距成正比。 

干涉光刻光路中两束光的夹角θ（0°＜θ＜90°），在0-90°范围内调整，夹角越大，光子晶体的周期越小，相同入射角情况下衍射角越大。薄膜透镜的色散越强，从而波分解复用的波长分辨率越高。 

基底选自玻璃、ITO玻璃、FTO玻璃、石英片或者硅片。 

该薄膜透镜作为一种纳米光子结构还具备传统透镜所不具备的功能。 

首先是“二极管”效应，即其对光束的“聚焦”或“发散”功能是单向性的。当光束沿某一方向入射被会聚形成焦点，则沿相反方向由薄膜另一侧入射的光束将被发散。即该透镜即可作凸透镜也可用作凹透镜，只需改变光的入射方向，我们将此功能定义为“二极管”透镜功能。光束采用从薄膜透镜的两侧入射即两种不同的入射方向对应薄膜透镜的会聚和发散两种截然相反的功能，也就对应了“二极管”透镜的正向和反向两种偏置模式。 

其次是波分解复用器功能，利用薄膜透镜同时衍射和聚焦功能，将不同波长的入射光以不同的焦距向不同的方向聚焦。这样，入射宽带光束中不同颜色的载波将被直接聚焦耦合进透镜后面的光纤阵列中，实现了不同 通道的直接高效解复用功能。除聚焦功能外，透镜的另一基本功能就是实现对物体的成像。作为凸透镜可以获得物体的实像。 

1)将薄膜透镜用作光聚焦功能透镜：波长为λ的激光束以θ_i从薄膜透镜的一面入射到薄膜透镜上，光束将以角度θ衍射，并在距离薄膜透镜f的位置聚焦。如图2所示。f即为该薄膜透镜的焦距，满足Λ(sinθ_i+sinθ)=λ，其中Λ为薄膜透镜光子结构的周期，即该薄膜透镜具有凸透镜的功能。 

2)将薄膜透镜用作光发散功能透镜：波长为λ的激光束以θ_i从薄膜透镜的另一面入射，光束以角度θ衍射，变成发散光传播。此时，透镜具有凹透镜功能，其焦距为-f。展示了薄膜透镜对不同入射方向的光束表现出不同的功能，实现了其“二极管”效应。如图3所示。 

3)将薄膜透镜用作波分解复用器：一束载有多波长成分的激光束以θ_i入射到薄膜透镜时，不同波长以不同的衍射角、不同的焦距聚焦，且各波长成份可直接耦合进后面的光纤通道中，实现波分解复用。如图4所示。 

4)将薄膜透镜用于成像：在薄膜透镜的物空间1倍和2倍焦距之间(f～2f)放置一发光物体，将在薄膜透镜的像空间2倍焦距以外获得物体放大、倒立的实像。当物体放置在物空间2倍焦距以外(>2f),将在像空间的1倍和2倍焦距之间获得缩小、倒立的实像。如图5所示。 

薄膜透镜的聚焦、二极管、成像及波分解复用功能可适用于从紫外到近红外的所有波长。该薄膜透镜可采用反射式和透射式工作模式。 

将本发明制备方法得到的薄膜透镜光栅金属化，得到具有等离子共振功能的薄膜透镜，获得薄膜的透镜的聚焦、二极管、成像及波分解复用功能的更高的衍射效率和偏振响应特性。 

本发明的优势特点： 

1)本发明利用100～500nm厚的纳米光子结构实现了传统透镜对光束的调控功能，对于集成光学具有极其重要的意义。 

2)利用简单的紫外激光干涉光刻技术，通过在光路中引入传统光学元器件实现功能强大的复杂光子器件的制备。制备工艺成本低，实用性强。获得的光子器件效率高，同时集成了传统光学元器件和新型纳米光子器件的多重功能。 

3)本发明方法中的薄膜透镜在同一器件中既可实现正透镜的聚焦功能和负透镜的光束发散功能，也可实现高质量成像功能。 

4)本发明中的薄膜透镜具有传统光学透镜所不具备的“二极管”特性，即其透镜功能依赖于光的入射方向，具有正向和反向“偏置”特性。 

5)本发明中的薄膜透镜同时具有传统光学透镜所不具备的波分解复用功能，即不同波长具有不同的焦距和不同聚焦方向，可直接应用于光通信波分复用系统。 

附图说明

图1、激光干涉光刻制备薄膜透镜的光学系统示意图； 

其中，A，B为参与干涉的两束准直的325nm激光；①为光阑；②为薄膜透镜；③为透镜；④为衰减片；⑤为平行光经透镜④聚焦形成的焦点。 

图2、薄膜透镜的聚焦功能及其实现方法； 

其中，①为入射平行光束；②为薄膜透镜；③薄膜透镜的实焦点。 

图3、薄膜透镜的二极管功能及其实现方法； 

其中，①为入射平行光束；②为薄膜透镜；③衍射形成的发散光束；④薄膜透镜等效的凹透镜的虚焦点。 

图4、薄膜透镜的波分解复用器功能及其实现方法； 

其中，①为入射的载有多重波长成分(λ₁、λ₂、λ₃)的平行光束；②为薄膜透镜；③波长为λ₁的光束被薄膜透镜聚焦形成的焦点；④波长为λ₂的光束被薄膜透镜聚焦形成的焦点；⑤波长为λ₃的光束被薄膜透镜聚焦形成的焦点。 

图5、薄膜透镜的成像功能及其实现方法； 

其中，①待成像物体；②为薄膜透镜；③薄膜透镜所成放大、倒立实像。 

图6、薄膜透镜聚焦功能的实验结果； 

其中，①为波长为532nm的入射平行光束；②为薄膜透镜；③衍射形成的聚焦光束；④薄膜透镜将532nm光束聚焦形成的焦点；⑤为透射光束；⑥为反射光束；⑦与衍射光③具有共轭关系的衍射光束。 

图7、薄膜透镜的成像功能的实验结果； 

其中，①为待成像物体：透明字符“B”；②为薄膜透镜；③为薄膜透镜所成的“B”的离轴、放大、倒立实像。 

图8、薄膜透镜的波分解复用功能实验结果； 

其中，①为入射的载有三基色成分(655nm,532nm,457nm)的白色平行光束;②为薄膜透镜；③为兰色光束被薄膜透镜聚焦形成的焦点；④为绿色光束被薄膜透镜聚焦形成的焦点；⑤为红色光束被薄膜透镜聚焦形成的焦点。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。 

实例1：薄膜透镜的制备。 

(1)采用325nm激光的总功率为30mW。采用图1所示的干涉光路，每一路功率为15mW。经扩束准直后，中心光强1/e²处的光束直径达15 mm。将其中一路光(A)用光阑①限束，使得投射到光刻胶薄膜②表面的光束直径约8mm。将另一路激光(B)用焦距为20cm、口径25mm的石英平凸透镜③聚焦。衰减器④用于调节光束B的强度，使其与光束A在薄膜样品②表面的强度相等。调整透镜的前后位置，使得光束B经透镜后达到光刻胶薄膜位置时的直径与光束A相同，即均为8mm。此时，光束B被实际聚焦到位置⑤。光束A与B的夹角约为22°，这样两束光相遇干涉形成条纹的周期(条纹间距)为450nm。 

将光学快门置于激光器输出口处，控制曝光时间，从而控制光刻胶的曝光量。 

(2)以2000rpm的转速在玻璃基片上旋涂S1805光刻胶，旋涂时间为30s。将旋涂后的光刻胶薄膜样品在120℃加热板烘干1分钟，然后在暗盒中避光保存备用。 

(3)光学快门关闭后，将制备的光刻胶薄膜样品置于图1所示的样品位置。曝光20s后，显影6s，之后用蒸馏水清洗30s。将清洗后的样品在烘箱中120℃下加热约10分钟。上述过程后，即获得稳定牢固的薄膜透镜器件。 

实施例2 

将传统光学透镜引入干涉光刻技术中，将透镜功能全息记录于光刻胶薄膜中，使光刻胶薄膜不仅具备了传统透镜的所有功能，而且具备了光子晶体的特殊性能，表现为单向性或定义为“二极管”特性以及波分解复用器功能，具体包括： 

1)以2000rpm转速旋涂30s将S1805光刻胶涂布在玻璃基片上，形成厚度为100nm量级的光刻胶薄膜样品。将样品安置于附图1光路中的样品②的位置。 

2)建立双光束干涉光刻光学系统，一路设定为平行光。另一路中引入实际的光学透镜，透镜焦距为20cm。使得入射的平行光束经透镜后变成 会聚光束，并使焦点位于光刻胶薄膜后约15cm位置。进一步引入光阑和衰减片，使得两束光以相同的强度、相同直径、全夹角约45°完全重叠在光刻胶薄膜表面。 

3)以325-nm的He-Cd激光作为干涉光刻光源，总功率为30mW。光束经扩束准直获得约1cm的光束直径后，再经50%分光镜分束。 

4)进行曝光、显影：曝光20s，显影8s即获得具有透镜和光子结构耦合功能的薄膜器件。 

实施例3：基于纳米光子结构的薄膜透镜对光束的聚焦功能。(如图6所示) 

1)将波长为532nm的绿光①以50°角度入射到薄膜透镜②的表面。 

2)除了透射光⑤和反射光⑥，产生了衍射光束③和衍射光的共轭光束⑦。显然，衍射光束被聚焦到焦点④。 

3)聚焦光束的衍射角约为25°，焦距约为10cm。 

实施例4：基于纳米光子结构的薄膜透镜的成像功能。(如图5或图7所示) 

1)根据上面测得的薄膜透镜的焦距，将一透明物体①，即打印在透明胶片上的空心“B”字，放置在透镜②的1倍和2倍焦距之间。 

2)用457nm的蓝色激光照射物体并将其投射到薄膜透镜表面。这样，在像空间应观察到透明物体的倒立、放大实像③。 

实施例5：基于纳米光子结构的薄膜透镜的波分解复用器功能。(如图8所示) 

1)由三基色激光(红光655nm；绿光532nm；兰光457nm)组成的一束白色激光①以45°角入射到薄膜透镜②上。 

2)三基色激光束经薄膜透镜衍射后形成兰、绿、红三束单色激光，分别聚焦到③、④、⑤三个不同的焦点位置。 

3)兰光的焦距为13cm，衍射角为18°；绿光的焦距为9.8cm，衍射角为28°；红光的焦距为4.2cm，衍射角为48°。