王 霞，呂 浩，趙秋玲，張帥一，譚永炎

1. 青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，山東 青島 266061 2. 山東省新型光電材料與技術(shù)工程實驗室，山東 青島 266061 3. 香港科技大學(xué)物理系，中國 香港

激光全息光刻技術(shù)在微納光子結(jié)構(gòu)制備中的應(yīng)用進展

王 霞1,2，呂 浩1,2，趙秋玲1,2，張帥一1,2，譚永炎3

1. 青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，山東 青島 266061 2. 山東省新型光電材料與技術(shù)工程實驗室，山東 青島 266061 3. 香港科技大學(xué)物理系，中國 香港

微納光子結(jié)構(gòu)研究隨著光子學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)及微加工技術(shù)的發(fā)展而逐漸蓬勃開展，并在其結(jié)構(gòu)、理論、制備技術(shù)等方面取得了系列進展。受限于目前的微加工技術(shù)水平，要成功制備大尺度、高質(zhì)量的光子材料仍然存在著一定挑戰(zhàn)。激光全息光刻技術(shù)作為一種簡便快捷的微結(jié)構(gòu)制作技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種經(jīng)濟快速制作大面積微納超材料及光子晶體模板的重要手段。介紹了激光全息光刻技術(shù)的原理，詳細闡述了該技術(shù)在制作三維面心立方、木堆積結(jié)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體以及光學(xué)周期類準(zhǔn)晶、手性超材料、周期性缺陷結(jié)構(gòu)等微納光子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進展。激光全息光刻技術(shù)成功制作微納光子結(jié)構(gòu)為光子材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和方法。

微納光子結(jié)構(gòu)；激光全息光刻；光子晶體；超材料

引 言

微納光子結(jié)構(gòu)隨著光子學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)及微加工技術(shù)的發(fā)展而逐漸蓬勃開來。能夠有效調(diào)控光子運動的光子結(jié)構(gòu)，諸如手性材料[1](chiral materials)、光子晶體[2-3](photonic crystals)、負折射率材料[4](negative refraction index materials)等，在光信息領(lǐng)域發(fā)揮著日趨重要的作用。具有許多特異光學(xué)性能的微納光子器件，使得信息技術(shù)革命實現(xiàn)了大的飛躍和突破。近年來科學(xué)界對微納光子結(jié)構(gòu)的研究熱潮不斷涌起，在設(shè)計、制備以及應(yīng)用方面，相繼有很多新的成果出現(xiàn)[5-9]。光子晶體，一種具有帶隙特征的光子結(jié)構(gòu)，由于可以控制光子流動被稱之為類半導(dǎo)體，它潛在的科學(xué)價值和應(yīng)用前景同樣得到了科學(xué)界的關(guān)注，人們對其結(jié)構(gòu)、理論、制備技術(shù)等不斷地進行研究并取得了重大進展[10-12]。當(dāng)前具有應(yīng)用價值的光子材料大部分都來自于人工制備，而受限于目前人類的微加工技術(shù)水平，要成功制備大尺度、高質(zhì)量的光子材料仍然存在著很大挑戰(zhàn)，尤其是制作應(yīng)用范圍較廣的光通訊波段和可見光波段的光子晶體更是一普遍難題。

隨著人們對光子結(jié)構(gòu)制備技術(shù)研究的不斷進展，激光全息光刻技術(shù)作為一種簡便的微結(jié)構(gòu)制作技術(shù)在制備微納超材料及光子晶體模板方面的應(yīng)用也漸漸凸現(xiàn)。激光全息光刻技術(shù)是一種基于相干激光干涉效應(yīng)的無掩模版光刻技術(shù)。它采用多束激光在晶片表面匯聚發(fā)生干涉效應(yīng)從而產(chǎn)生各種由亮區(qū)和暗區(qū)構(gòu)成的干涉圖樣。Kirkpatrick等曾用兩束Ti: sapphire飛秒激光相干產(chǎn)生的干涉條紋照射雙光子聚合材料，制作了條紋光柵微結(jié)構(gòu)[13]，這是把激光全息干涉技術(shù)結(jié)合光聚合用于微加工的最初的研究之一。Berger等提出了用全息技術(shù)制作光子晶體[14]，并在實驗上利用三個衍射光柵制作出二維光子晶體。牛津大學(xué)Campbell等提出了用三維全息光刻技術(shù)制作可見光波段的光子晶體[15]。憑借其制作成本低，制作面積大，設(shè)計便捷等優(yōu)點，全息光刻技術(shù)在制作光子晶體方面吸引了人們的廣泛關(guān)注[16-18]。此外，該技術(shù)所制作的結(jié)構(gòu)還具有靈活多樣性。研究表明，多光束干涉不僅可以形成周期點陣結(jié)構(gòu)，還可以制作具有旋轉(zhuǎn)對稱性的準(zhǔn)周期點陣結(jié)構(gòu)，所得結(jié)構(gòu)的晶格對稱性、晶格周期、帶隙位置、介質(zhì)占空比等均可調(diào)控。因此，激光全息光刻技術(shù)是一種經(jīng)濟快速地制作大面積微納光子結(jié)構(gòu)的重要手段。從衍射光柵、二維光子晶體到三維結(jié)構(gòu)的制作，以及光學(xué)周期類準(zhǔn)晶和其他一些特殊的結(jié)構(gòu)的制作，激光全息光刻技術(shù)越來越顯示了它在該領(lǐng)域應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢。本文將重點講述該技術(shù)在制備多種微納光子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前沿進展。

1 激光全息干涉原理

激光全息光刻技術(shù)實際上就是利用多束相干光在空間匯聚，在光斑區(qū)域形成空間周期變化的干涉圖案并記錄于感光介質(zhì)上。由于干涉場中的記錄介質(zhì)感光程度不同，使折射率產(chǎn)生周期性變化從而形成周期變化的有序結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、襯比度由相干光束的參數(shù)決定。

兩束光干涉能在空間形成一系列極大值平行平面，平面內(nèi)光強處處相等，平行平面之間的垂直距離由入射光波長及兩束光之間的夾角確定，面間距為：d=λ/2sin(θ/2)，其中λ為入射光波長，θ為兩光束夾角。同時平面的方位也是確定的，它垂直于兩入射光束所構(gòu)成的平面，且與兩入射光束的角平分面平行。

當(dāng)入射光多于兩束時，所形成的不同平行平面的組數(shù)為(n-1)+(n-2)+…+1，n為不同方向的入射光束數(shù)。例如當(dāng)n=3時，三束光兩兩相干會產(chǎn)生方向不同的3組平行的極大值平面，這3組平面在空間相交而成的極值點在二維空間上是周期變化的，但在第三維空間上是極值線。當(dāng)入射光束強度都相等時，極值點處的光強與形成這些平面的光束數(shù)的平方成正比。因此極大值點處的光強要比其他位置大得多，能夠形成光學(xué)陷阱。在適合的條件下，電介質(zhì)顆粒會由于光梯度力而被束縛于陷阱中，構(gòu)成一種特殊的介電結(jié)構(gòu)[19]，這對于研制新一代的光電材料是很有意義的。

(1)

根據(jù)曝光次數(shù)不同，可將激光全息光刻技術(shù)大致分為兩種，即單步曝光和多步曝光。單步曝光法是多束激光(通常成傘形光路)同時入射到記錄介質(zhì)中，將入射光束的參數(shù)(如光束間的夾角、光強比、偏振態(tài)等)調(diào)整到最佳理論值，這樣干涉圖案的對比度就會很高，可以制作出滿足禁帶要求的高品質(zhì)光子晶體模板[20]。也可以采用相位掩模板與全息光刻技術(shù)結(jié)合進行曝光獲得不同結(jié)構(gòu)的光子晶體，預(yù)先在某一基板上制作形狀不同的相位掩模板，使激光束照射在上面，則透過去的光會有光束的相位偏移，多束光在模板后面的感光基板上干涉獲得光子晶體[21-22]。多步曝光則是采用最少兩束光干涉，在感光樣品某一區(qū)產(chǎn)生干涉花樣，然后通過改變條件(如改變光束入射角度、調(diào)整偏振態(tài)、旋轉(zhuǎn)樣品等)再次進行曝光，從而制備出相位掩模板[23]、二維、三維等微納光子結(jié)構(gòu)[24-25]。

2 三維周期結(jié)構(gòu)的制作

有很多科研工作者借助激光輔助技術(shù)和化學(xué)材料的單光子或雙光子聚合技術(shù)進行一到三維周期性微結(jié)構(gòu)的制作[26-29]。Sun[26]利用Ti:sapphire飛秒激光的二倍頻激光進行光聚合；Brian[29]也在Nature上報道了利用飛秒激光的雙光子引發(fā)聚合，制作三維有序結(jié)構(gòu)。直寫技術(shù)可以制備多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光子材料，但是在制作過程中，需要逐步精確定位掃描樣品，因此存在能耗高、時間長、樣品周期常數(shù)大、晶格定位精度不高的局限。利用激光全息光刻技術(shù)則可很便利的制作周期有序的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)計算模擬得到的光學(xué)條件加之不同的光路構(gòu)型，可以設(shè)計制作三維的面心、體心、簡立方等多種高對稱性晶格結(jié)構(gòu)[30-33]。

實驗中比較常用的感光材料是在近紫外輻射的高對比度環(huán)氧型負性光刻膠SU8作為原始高分子聚合樹脂。SU8按比例1∶1溶解在光致引發(fā)劑261質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的γ-丁內(nèi)酯中形成感光性樹脂溶液，將感光性樹脂溶液旋涂在玻璃片基底上形成大約10μm厚的光致感光劑樣品，然后90 ℃下加熱一個小時祛除多余的溶劑，制成所需樣品玻片作為實驗中感光膠。

2.1 FCC結(jié)構(gòu)的制作

利用可見光引發(fā)聚合體系制作三維面心立方光子晶體[34-35]。實驗中將由氬離子激光器發(fā)出的514 nm激光分為四束等振幅的光束，中間光束沿z軸垂直方向，其余三束光繞z軸呈傘狀對稱分布，與中間光束的夾角是38.9°，干涉花樣還依賴于光束的偏振，根據(jù)計算機模擬結(jié)果的最佳對照，四束光的偏振分別是ω1=π/9,ω2=4π/9,ω3=7π/9,ω4=π/9。得到的樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維面心立方光子晶體結(jié)構(gòu)[34]

(a)： (111) face; (b)： Volume fractions 53%; (c)： Volume fractions 41%; (d)： volume fractions 22%

由圖1中可以看出樣品結(jié)構(gòu)的周期有序性非常高，幾乎沒有缺陷。由于所得結(jié)構(gòu)的介質(zhì)占空比可以通過曝光量進行連續(xù)調(diào)節(jié)，使得光子晶體帶隙的位置和寬度可調(diào)。在FCC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過電化學(xué)沉積技術(shù)，可以將該結(jié)構(gòu)制備成Cu2O的反結(jié)構(gòu)[36]，在微波波段具有光子帶隙，這種填充可以實現(xiàn)高質(zhì)量金屬或金屬氧化物光子晶體。在光柵結(jié)構(gòu)中，還可以通過沉積納米金顆粒并進行熱處理，獲得厚度在50～80 nm的納米金顆粒的光柵結(jié)構(gòu)[37]，為進一步研究電磁波在金屬納米顆粒的中的傳輸效應(yīng)提供了方法。

2.2 類金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體的制作

金剛石結(jié)構(gòu)的三維光子晶體是人們期待的最理想的三維完全帶隙光子晶體，而金剛石結(jié)構(gòu)中每兩個最靠近的“原子”連在一起且未分開稱為類金剛石結(jié)構(gòu)。利用全息光刻技術(shù)可以制作類金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體[38-39]，理論計算表明此類金剛石結(jié)構(gòu)的完全帶隙與完全金剛石結(jié)構(gòu)基本相同，并且產(chǎn)生完全帶隙所需的折射率很低，最低可達到2.05。將制作面心結(jié)構(gòu)光路的光束配置中的中心光束改為圓偏振光，各束光的偏振和強度調(diào)整為適宜值時，實驗制作的就是類金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)在微米波段具有光子帶隙。

圖2 類金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體[38]

(a)，(b)： 不同放大倍數(shù)的掃面電子顯微鏡圖；(c)： (114)晶面電鏡圖；(d)： (114)晶面對應(yīng)的計算機模擬結(jié)果

Fig.2 Diamond-like photonic crystals fabricated by holographic lithography

(a)，(b)： SEM of the fabricated crystals with different magnification; (c)： Close-up of the sample with top surface on (114) crystal plane; (d)： Simulation of the diamond-like structure’s (114) crystal plane

3.3 woodpile結(jié)構(gòu)的制作

Woodpile[40-42]結(jié)構(gòu)具有面心四方對稱性，它可以看成是FCC結(jié)構(gòu)沿垂直方向伸長后的結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生較為理想的禁帶寬度和最大帶隙率，且填充率的調(diào)節(jié)范圍更寬[42]。實驗采用SU8負性光刻膠，氬離子激光器為光源，將由激光器發(fā)出的激光分成直徑為7.5 mm等振幅的五束光，中間圓偏振光束沿z軸垂直方向，周圍四束線偏振光繞z軸呈傘狀對稱分布，與中間光束的夾角是41.8°或70.53°，調(diào)節(jié)光束的強度和偏振則可制備出woodpile結(jié)構(gòu)，圖3給出了所制備woodpile結(jié)構(gòu)的光束配置圖、模擬圖和實驗SEM圖。

圖3 全息光刻技術(shù)制備woodpile結(jié)構(gòu)[40]

通過電化學(xué)沉積的方法，將結(jié)構(gòu)中的空隙用Cu2O填充，可以獲得SU8-Cu2O的復(fù)合結(jié)構(gòu)[43]，在光學(xué)波段具有光子帶隙，熱處理以后得到高折射率對比度的Cu2O woodpile結(jié)構(gòu)，并具有完全光子帶隙。通過改變?nèi)⒏缮娴墓饴?，利用特殊設(shè)置的光學(xué)元件代替多束激光，根據(jù)Brewster定律調(diào)整入射光束的偏振，可以進一步簡化實驗制備，一步曝光獲得woodpile結(jié)構(gòu)[44]。

3 準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的制作

光子準(zhǔn)晶相對于傳統(tǒng)的光子晶體而言，具有很好的旋轉(zhuǎn)對稱性，更多各向同性的光子帶隙和展示有趣的光波傳播的性質(zhì)[45]。但是傳統(tǒng)的光子晶體制作方法很難制作二維準(zhǔn)晶，制作三維準(zhǔn)晶幾乎是不可能的。然而利用激光全息技術(shù)可以實現(xiàn)這一突破，通過有限時域差分法計算在理論上證實可以通過該技術(shù)制備多面對稱結(jié)構(gòu)[46-48]，近年來結(jié)合全息技術(shù)和光致分子的聚合也已實現(xiàn)二維準(zhǔn)晶和三維準(zhǔn)晶的制作。

3.1 二維準(zhǔn)晶的制作

由氬離子激光器發(fā)出的激光通過反射光柵的分光獲得直徑大約是4 mm，功率大約是2 mW的五束光圍繞中心軸對稱分布，每兩束光之間的夾角是72°，每束光和中心軸的夾角是39°。五束光在感光劑SU8上匯聚于一點并曝光，進行后續(xù)處理后得到二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)[49-52]。

圖4清楚的展示了二維Penrose準(zhǔn)晶的十重對稱，接近于理想的二維準(zhǔn)晶，獲得了準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的晶體。He-Ne激光衍射圖由具有十重對稱性的衍射點組成了兩級衍射環(huán)，證實了其結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。還可以利用五束光獲得二維五邊形對稱，其他的旋轉(zhuǎn)對稱和三維結(jié)構(gòu)，而且改變光的強度和偏振還可以獲得一系列各種體積分?jǐn)?shù)和形狀變化的結(jié)構(gòu)。

圖4 (a)，(b)分別為二維準(zhǔn)晶SEM圖和模擬圖；(c)用銳角分別為72°和36°菱形拼砌圖案來標(biāo)識的準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)；(d)準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的衍射圖案[49]

Fig.4 (a)，(b) SEM and simulated structures of two-dimensional quasi-crystals; (c) quasi-crystals marked with 72° and 36°rhombus of acute angle; (d) diffraction patterns of quasi-crystal

準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的制備可以采用多束激光匯聚干涉[49]，也可以采用具有反射功能的光學(xué)組件，通過一束光的反射和分光得到s-偏振的多束光干涉，獲得二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)[44]。將納米金顆粒在準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的模板上涂覆并經(jīng)過熱處理，可以得到納米金的準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)，并可以獲得該結(jié)構(gòu)對不同偏振光的響應(yīng)特點[53]。

3.2 三維周期準(zhǔn)晶的制作

Yael Roichman[51]等采用理論計算和模型設(shè)計出準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的全息光刻制作，Ion Bita[54]等成功制作了八面準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。具有不同帶隙位置的二十面準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的制作也通過各種技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)，立體印刷術(shù)實現(xiàn)了帶隙在微波范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的制作[55]，激光直寫技術(shù)實現(xiàn)了帶隙在紅外范圍內(nèi)的制作[56]，全息光刻技術(shù)實現(xiàn)了帶隙在可見光范圍的制作[57]。

在全息光刻技術(shù)制作三維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)中，實驗將由氬離子激光器發(fā)出的488 nm線性偏振激光分為直徑9 mm，功率5 mW的六束光，使其通過底板的六個小孔入射到斜五邊形棱錐然后匯聚于一點照射在感光樣品SU8或DCG上。中間光束沿z軸方向且通過斜五邊棱錐的中心并被放置于棱錐上的平面鏡垂直反射，周圍的五束光圍繞中間光束均勻分布，通過底板小孔內(nèi)的偏振片調(diào)節(jié)六束光的偏振，然后實現(xiàn)感光材料的曝光。光束構(gòu)型和所制備的二十面準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。

圖5 二十面體準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)光束配置[57]

(a)： 制作二十面準(zhǔn)晶的7束光構(gòu)型圖；(b)： 二十面準(zhǔn)晶晶格F，U和P分別為5重、3重、2重對稱結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果；(c)： 7束光配置制備5重對稱準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)實驗所用光束配置圖；(d)： 制作2重和3重對稱結(jié)構(gòu)所用光束棱鏡配置

Fig.5 Beam configuration for icosahedral quasicrystals

(a)： 7-beam configuration for the icosahedral quasicrystal；(b)： Icosahedral quasicrystal lattice (red) and the simulated 5-fold (F), 3-fold (U), and 2-fold (P) symmetry projections using 70% intensity cutoff；(c)： Actual 7-beam arrangement (for 5-fold symmetry) using a truncated pentagonal prism；(d)： Setup for obtaining 2-fold and 3-fold symmetry projections on the surface of photoresist using a pair of prisms

圖6 入射角為63.4°時制作的二十面準(zhǔn)晶的SEM圖像[57]

(a)： Icosahedral quasi-crystal lattice; (b) to (d)： SEM of 5-fold, 3-fold, and 2-fold symmetry structure, respectively

4 周期與準(zhǔn)晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)

采用十束光的全息光刻裝置來制作周期準(zhǔn)晶復(fù)合結(jié)構(gòu)[58]。實驗中將氬離子激光器發(fā)出的488 nm的線偏振激光通過反射光柵的分束獲得直徑大約是4 mm，功率大約是1.55 mW繞中心軸對稱分布的五束光，各光束之間的夾角為72°。為了獲得比感光樹脂臨界角大的入射角Ψ(Ψ是入射光與中間z軸的夾角)，在基底上倒置一個五邊形棱鏡，這樣每一束光垂直與棱鏡的傾斜面并與其他的光束在感光劑內(nèi)會聚于一點。經(jīng)曝光、顯影后在感光劑SU8上得到三維周期與準(zhǔn)晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。

由圖7(a)中可以清楚的看到所得到的結(jié)構(gòu)在垂直方向晶體是周期性的，周期大約為0.22 μm。結(jié)構(gòu)的十次對稱性可以從截面圖中很清楚的看到(由十個孔包圍形成的圓圈可以看出來)。樣品表現(xiàn)出了Penrose結(jié)構(gòu)的二維準(zhǔn)周期，z軸方向呈周期分布。樣品表面可以觀察到明亮的色彩，由圖7(b)光譜圖可知所得結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)具有光子帶隙。

圖7 (a)周期準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的SEM圖像，插圖是樣品表面的SEM圖； (b)樣品反射和透射光譜圖[58]

若是將參與干涉的光束進行偏振態(tài)調(diào)節(jié)，則可以得到類似于一維層狀結(jié)構(gòu)[59]，如圖8所示。由圖中可以看出其結(jié)構(gòu)是層狀的，且兩層之間有一定的支撐以防止結(jié)構(gòu)坍塌，該結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)具有光子帶隙。

圖8 一維層狀光子晶體結(jié)構(gòu)[59]

(a)： Spectra of green area of samples; (b)： Color distribution of the structure surface; (c)： Computer simulated structures; (d)： SEM of layered structures

5 手性螺旋結(jié)構(gòu)的制作

手性結(jié)構(gòu)對入射光有主動的光學(xué)響應(yīng)，將會表現(xiàn)出一定的旋光性[60](線偏振光通過介質(zhì)時，該介質(zhì)使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)或變成橢偏光)、圓或橢圓偏振二向色性[61](該介質(zhì)對左右旋圓偏振光的透過率不同)、不對稱傳輸性[62]等現(xiàn)象。手性材料的旋光性或圓二色性在光開關(guān)、光隔離器、偏振濾波器等集成光子器件方面具有極好的應(yīng)用潛力，應(yīng)用開發(fā)研究不斷升溫。人工設(shè)計制作的手性超材料可以獲得比天然手性材料更優(yōu)異的性能，如納米尺寸、高旋光率、顯著的圓二向色性等[63]。

采用六束等間隔呈傘形分布的線性偏振光和中間一束圓偏振光干涉可制備手性螺旋微結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)側(cè)光束與中間光束的夾角可以改變制備的螺旋結(jié)構(gòu)的傾斜度和分離度。將由He-Cd激光器發(fā)出的325 nm激光調(diào)整為直徑是1.2 mm，功率是80 μJ的光束，周圍六束光為線偏振光呈傘狀對稱排布，偏振角度為90°，兩兩夾角為60°，與中間光束的夾角為37.7°(對應(yīng)于光與感光材料的夾角是21.2°)，中間光束調(diào)整為圓偏振光[64]。七束光在感光膠SU8上匯聚于一點，經(jīng)過適量的曝光和后續(xù)處理得到螺旋結(jié)構(gòu)樣品，如圖9(b)所示。由于在處理過程中螺旋結(jié)構(gòu)的壓力，在有螺旋結(jié)構(gòu)的垂直方向上光刻膠大幅度縮水，在沒有螺旋結(jié)構(gòu)的方向上正?？s水。實驗得到的螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)域較小，約為20 μm×20 μm。采用激光擴束加棱鏡反射匯聚技術(shù)，可以有效解決螺旋結(jié)構(gòu)制備中光束相位不匹配的問題，且有效增大了樣品面積。

對所制備的螺旋結(jié)構(gòu)進行了旋光性和圓二色性的光譜測量。結(jié)果表明，線偏振光入射到樣品上，通過對斯托克斯參量的測量和計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對于550～750 nm左右的線偏振光存在一定的旋光效應(yīng)，在650 nm處偏振度改變達10°，如圖9(a)和(c)所示，該結(jié)構(gòu)的旋光性超過之前利用DCG制備的手性結(jié)構(gòu)。

圖9 斯托克斯參量測量SU8螺旋結(jié)構(gòu)[65]

(a)： Polarization rotation；(b)： SEM images of SU8 spirals with cross sections；(c)： Ellipticity；(d)： Circular Dichroism of circularly polarized incident light of SU8 spirals

進一步研究手性螺旋結(jié)構(gòu)對于圓偏振光的透過情況，采用上述平臺測量左旋和右旋圓偏光分別從不同方向(正面和反面)入射到樣品表面時的透過率，計算了圓二色性(CD)Δ=2×(TR-TL)/(TR+TL)，其中TR和TL分別是右旋圓偏光和左旋圓偏光的透過率。在螺旋結(jié)構(gòu)區(qū)，波長小于650 nm處，CD為正值，波長大于650 nm時為負值。在610和680 nm處，CD絕對值達到0.5，如圖9(d)所示。表明所制備的螺旋結(jié)構(gòu)對左旋和右旋的圓偏振光具有顯著的圓二色性[65-66]，實現(xiàn)了手型結(jié)構(gòu)對于偏振光的調(diào)制作用，對手性超材料的研究提供了樣品素材。

6 周期性缺陷結(jié)構(gòu)的制作

利用激光的時間相干性實現(xiàn)了多套干涉光場的非相干疊加，恰當(dāng)選取其干涉圖案、周期、對稱性取向和相對強度，即可形成正弦調(diào)制含周期性缺陷的光場[67]。理論計算表明，二維復(fù)式光子晶體較易表現(xiàn)出完全光子帶隙[68-69]，是科研工作者研究興趣關(guān)注領(lǐng)域之一。采用4束橢圓偏振光相干并改變它們偏振角度和初相位的大小，可獲得對比度不同、尺寸大小各異的嵌套復(fù)式晶格[70]。采用各包含3束對稱分布光束的兩組橢圓偏振激光相互干涉，每3束光具有相同光程差和入射角且兩組之間光程差和入射角不同，則獲得兩組相互獨立周期不同的晶格嵌套，調(diào)整兩組干涉光的相對強度和初相位，亦可改變兩組晶格的大小和相對位置[67]。二維復(fù)式光子晶體由于存在兩種排布不同的晶格，也可將其視為光子晶體的缺陷態(tài)，理論計算表明，在完全帶隙中表現(xiàn)出一定的缺陷頻率[71-72]。如果能有效控制該缺陷態(tài)，調(diào)節(jié)缺陷頻率的位置，可以實現(xiàn)二維光子晶體的平面發(fā)射，對光子晶體的激射研究具有重要的意義。

圖10 二維嵌套復(fù)式結(jié)構(gòu)光子晶體SEM

采用6束線偏振光干涉，改變非相鄰三束光的方位角，令該三束光波矢的方位角沿同一方向偏移角度σ，則可在二維六角格點分布外圍產(chǎn)生嵌套的大周期六邊形格子排布，獲得二維復(fù)式結(jié)構(gòu)光子晶體，如圖10所示[73]。在均勻排列的六邊形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部有六角排列的周期格點，形成復(fù)式嵌套結(jié)構(gòu)，圖10(a)右上角插圖為計算機模擬結(jié)果。圖10(b)為高倍率下樣品表面的SEM圖像，在每個六邊形內(nèi)部整齊的排列著小的孔洞結(jié)構(gòu)，直徑約為500 nm，從中心向外成多重六角排布，如白線標(biāo)注所示，縱向8 μm左右的二維柱狀結(jié)構(gòu)。通過干涉光束相位的調(diào)節(jié)，也可實現(xiàn)周期性缺陷的一維光柵結(jié)構(gòu)[74]。

7 梯度層狀結(jié)構(gòu)的制作

利用兩束光全息光刻的方法可在重鉻酸鹽明膠上制作面結(jié)構(gòu)寬帶隙的光子晶體。通過明膠的微分膨脹，得到了面間距一定的成面結(jié)構(gòu)，并具有高效率以及在可見光區(qū)域的寬帶隙。將DCG涂在厚度是2 mm折射率是1.52的玻璃基底上，厚度約為24 μm，制成DCG全息干板。將氬離子激光器發(fā)出的488 nm的激光調(diào)整為直徑約為7 mm，功率為1.5 mW的光束，垂直入射于全息干板基底面，并與從明膠后面反射鏡反射回來的光束在明膠內(nèi)發(fā)生干涉形成平行與基底面的成面結(jié)構(gòu)，面間距約為155 nm。所作結(jié)構(gòu)受樣品后處理時脫水溫度的影響較大，如圖11和圖12所示[75-76]。

圖11(b)—(d)中明顯的可以看出層狀結(jié)構(gòu)，(c)和(d)中的插圖可以看出層間距的梯度變化。(d)中的插圖層間距是從空氣明膠面以縱深z的函數(shù)遞增的，但是在較低的脫水溫度時這種變化是不明顯的，可見梯度間距是隨脫水溫度的變化而變化的。

圖12是圖11中樣品的反射和透射圖，由圖中可知帶隙的寬度在以一定程度上依賴于脫水溫度，當(dāng)溫度較低時，帶隙的寬度約為30 nm，比較窄，隨著溫度的升高帶隙寬度逐漸變大至100 nm。采用全息光刻技術(shù)，兩束光在DCG全息干板上干涉制作結(jié)構(gòu)層狀，在可見光范圍內(nèi)獲得大約100 nm的寬帶隙。通過控制兩束光的干涉方向，在染料摻雜的DCG樣品(具有折射率梯度變化)中還可以得到傾斜排列的梯度條紋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)具有較寬和品質(zhì)較好的光子帶隙[77]。

圖11 不同脫水溫度的DCG樣品橫截面的SEM

(a) to (d) with dehydrated temperature of 20, 36, 49, and 49 ℃, respectively; (c)： Air-gelatin area；(d)： Gelation-glass area

圖12 不同脫水溫度時DCG樣品的垂直反射和透射圖

8 結(jié) 論

概括總結(jié)了激光全息光刻技術(shù)制作晶體、準(zhǔn)晶體等各種微納光子結(jié)構(gòu)材料。隨著制備技術(shù)日趨優(yōu)化，激光全息光刻技術(shù)已經(jīng)成為經(jīng)濟而快速地制作大面積微納光子結(jié)構(gòu)及其模板的重要手段，結(jié)合等離子體氣相沉積、電化學(xué)沉積等技術(shù)，充分地發(fā)揮其制備方面的優(yōu)勢和作用，將會更好地促進微納光子材料及集成光子器件的發(fā)展和應(yīng)用。

[1] Zhao R, Zhang L, Zhou J, et al. Phys. Rev. B, 2011, (83): 035105.

[2] Yablonovitch E. J. Opt. Soc. Am. B: Opt. Phys., 1993, 10(2): 283.

[3] Joannopoulos J D, Villeneuve P R, Fan S. Nature, 1997, 386: 143.

[4] Pendry J B. Phys. Rev. Lett., 2000, 85: 3966.

[5] Fang N, Lee H, Sun C, et al. Science, 2005, 308: 534.

[6] Driscoll T, Basov D N, Starr A F, et al. Appl. Phys. Lett., 2006, 88: 081101.

[7] Yang Y, Li Q Z, Wang G P. Opt. Express, 2008, 16: 11275.

[8] Li Z F, Zhao R k, Koschny T, et al. Appl. Phys. Lett., 2010, 97: 081901.

[9] Phan A H, Piao M L, Park J H, et al. Appl. Opt., 2013, 52(11): 2.

[10] Feng T H, Dai Q Fg, Wu L J, et al. Chin. Phys. B, 2008, 17(12): 4533.

[11] Wang J, Yuan C W, Tang F Q. Chin. Phys. B, 2005, 14(8): 1581.

[12] Wijnhoven J E G J, Vos W L. Science, 1998, 281: 802.

[13] Kirkpatrick S M, Baur J W, Clark C. M. Appl. Phys. A, 1999, 69: 461.

[14] 14 Berger V, Gauthier-Lafaye O, Costard E. Appl. Phys. Lett., 1997, 82(1): 60.

[15] Campbell M, Sharp N D, Harrison T M. Nature, 2000, 6773(404): 53.

[16] Liang G Q, Zhu X L, Xu Y G, et al. Adv. Mater., 2010, 22: 4524.

[17] Xiong W, Xu Y, Xiao Y, et al. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 2015, 13: 74.

[18] Li J, Yang S. Microelectronic Engineering, 2014, 128: 7.

[19] Hu W, Li H Q, Cheng B Y. Opt. Lett., 1995, 20(9): 964.

[20] Timothy Y M C, Ovidiu T, Sajeev J. Phys. Rev. Lett., 2005, 71: 046605.

[21] Lin Y, Herman P R, Abolghasemi E L. Appl. Phys. Lett., 2005, 97: 096102.

[22] Lin Y, Herman P R, Abolghasemi E L. Appl. Phys. Lett., 2005, 86: 071117.

[23] Yuan K L, Harb A, Daniel R. Appl. Phys. Lett., 2008, 104(11): 11311.

[24] Wang Y J. Opt. Express, 2008, 16(2): 1090.

[25] Ngoc D L, Lin J H, Huang Y Y. Opt. Express, 2006, 14(22): 10746.

[26] Sun H B, Shigeki M, Hiriaki M. Appl. Phys. Lett., 1999, 74(6): 786.

[27] Borisov R A, Dorojkina G N, Koroteev N I. Appl. Phys. B, 1998, 67: 765.

[28] Strickler J H, Webb W W. Appl. Opt., 1991, 16(22): 1780.

[29] Brian H C, Sundaravel P A, Stephen B. Nature, 1999, 398: 51.

[30] Park S G, Jeon T Y, Jeon H C, et al. J. Mater. Chem. C, 2014, 2(11): 1957.

[31] George D, Lutkenhaus J, Lowell D, et al. Proc SPIE, 2015, 9350: 93501K.

[32] Wu L, Xu Y, Wong K S. Organic and Hybrid Photonic Crystals. Springer International Publishing, 2015. 213.

[33] Shen X X, Ren Y Z, Zhou Z W, et al. Remote Sensing and Smart City, 2015, 64: 349.

[34] Wang X, Xu J F, Su H M. Appl. Phys. Lett., 2003, 82(14): 2212.

[35] Zhong Y C, Wu L J, Su H M. Opt. Express, 2006, 14(15): 6837.

[36] Miyake M, Chen Y C, Braun P V, et al. Adv. Mater., 2009, 21: 3012.

[37] Lin Y, Zhai T, Zhang X. Opt. Express, 2014, 22(7): 8396.

[38] Zhong Y C, Zhu S A, Su H M. Appl. Phys. Lett., 2005, 87(6): 061103-1.

[39] Jun H M, Yang S, Dong W T. Opt. Express, 2006, 14(13): 6297.

[40] Pang Y K, Lee J C W, Ho C T. Opt. Express, 2006, 14: 9113.

[41] Tam W Y. J. Opt. A: Pure. Appl. Opt., 2007, 9: 1076.

[42] Jin B P, Xu J, Yee K P. J. Opt A: Pure. Appl. Opt., 2008, 10: 085204.

[43] Park S G, Miyake M, Yang S M, et al. Adv. Mater., 2011, 23(24): 2749.

[44] George D, Lutkenhaus J, Lowell D, et al. Opt. Express, 2014, 22(19): 3.

[45] Chan Y S, Chan C T, Liu Z Y. Phys. Rev. Lett., 1998, 80(5): 956.

[46] Zito G, Piccirillo B, Santamato E. J. Opt. A: Pure. Appl. Opt., 2009, (11): 024007.

[47] Zito G, Piccirillo B, Santamato E, et al. Opt. Express, 2008, 16(8): 5164.

[48] Gauthier R C, Mnaymneh K. Opt. Express, 2005, 13(6): 1985.

[49] Wang X, Ng C Y, Tam W Y. Adv. Mater., 2003, 15(18): 1526.

[50] Notomi M, Suzuki H, Tamamura T. Phys. Rev. Lett., 2004, 92(12): 123906.

[51] Roichman Y, David G G. Opt. Express, 2005, 13(14): 5434.

[52] Sun X, Tao X, Ye T, et al. Appl. Phys. B, 2007，(87): 267.

[53] Zhai T R, Lin Y H, Liu H M, et al. Opt. Express, 2013, 21(23): 28444.

[54] Bita I, Choi T, Walsh M E, et al. Adv. Mater., 2007, (19): 1403.

[55] Man W, Megens M, Steinhardt P J, et al. Nature, 2005, 436: 993.

[56] Ledermann A, Cademartiri L, Hermatschweiler M, et al. Nat. Mater., 2006, (5): 942.

[57] Xu J, Ma R, Wang X, et al. Opt. Express, 2007, 15(7): 4287.

[58] Wang X, Xu J, Lee J C W，et al. Appl. Phys. Lett., 2006, 88(5): 051901.

[59] Shen K, Jiang G, Mao W, et al. Appl. Opt., 2013, 52(26): 6474.

[60] Gao W S, Tam W Y. J. Opt. A: Pure. Appl. Opt., 2011, (13): 015101.

[61] Decker M, Klein M W, Wegener M, et al. Opt. Lett., 2007, 32(7): 856.

[62] Wu L, Yang Z Y, Cheng Y Z, et al. Opt. Express, 2013, 21(5): 5239.

[63] Smith D R, Pendry J B, Wiltshire M C K. Science, 2004，(305): 788.

[64] Pang Y K, Lee J, Lee H. Opt. Express, 2005, 13(19): 7615.

[65] Wang X, Gao W S, Tam W Y. Appl. Opt., 2014, 53(11): 2425.

[66] Hung J, Gao W, Tam W Y. J. Opt. A: Pure. Appl. Opt., 2011, (13): 095102.

[67] Liang G Q, Mao W D, Pu Y Y, et al. Appl. Phys. Lett., 2006, 89(4): 041902-1.

[68] WANG Jing-li, CHEN He-ming(汪靜麗, 陳鶴鳴). Acta Physica Sinica(物理學(xué)報), 2007, 56(2): 922.

[69] PAN Jie-yong, LIANG Guan-quan, MAO Wei-dong, et al(潘杰勇, 梁冠全, 毛衛(wèi)東, 等). Acta Physica Sinica(物理學(xué)報), 2006，55(2): 729.

[70] Mao W D, Dong J W, Zhong Y C, et al. Opt. Express, 2005, (13): 2994.

[71] NIAN Xiu-zhi, CHEN He-ming(年秀芝, 陳鶴鳴). Optics & Optoeleactronic Technology(光學(xué)與光電技術(shù)), 2009, (7): 23.

[72] ZENG Juan, PAN Jie-yong, DONG Jian-wen, et al(曾 雋, 潘杰勇, 董建文，等). Acta Physica Sinica(物理學(xué)報), 2006，55(6): 2785.

[73] Lü H, Zhao Q L, Zhang Q Y, et al. Appl. Opt., 2012, 51(3): 302.

[74] Ma J, Wong K S, Li S, et al. J. Opt. Soc. Korea, 2015, 19(1): 63.

[75] Ma R, Xu J, Tam W Y. Appl. Phys. Lett., 2006, (89): 081116.

[76] Hung J, Kok M H, Tam W Y. Appl. Phys. Lett., 2009, (94): 014102.

[77] Han C R, Tam W Y. J. Opt. A: Pure. Appl. Opt., 2012, (14): 085104.

(Received Jul. 20, 2015; accepted Nov. 4, 2015)

Application Progress of Holographic Lithgraphy in Fabrication of Micro-Nano Photonic Structures

WANG Xia1,2, Lü Hao1,2, ZHAO Qiu-ling1,2, ZHANG Shuai-yi1,2，TAM Wing-yim3

1. College of of Mathematics and Physics, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China 2. Advanced Optoelectronic Materials and Technologies Engineering Laboratory of Shandong, Qingdao 266061, China 3. Physics Department, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

Micro-nano photonic structures are developing vigorously based on the progress of photonics, semiconductor physics and microfabrication technology. A series of results are achieved in structure characterization, theory, and fabrication of them. Most high quality photonic structures are man-made ones; however, there are still some challenges in fabricating artificial large-area and high-quality photon materials. With the advantages of photonic structure processing technology, holographic lithography, a low-cost, time-saving and high-efficiency microfabrication method, performs superior application potentials in making metamaterials as well as photonic crystal templates. In this article, we introduced the principles of holographic lithography and described the applications in fabricating various micro-nano photonic structures, such as three dimensional face-center-cubic, wood-pile, diamond-like photonic crystals, as well as quasi-crystalline structure, chiral metamaterials and periodic defect-mode structures. Moreover, the applications of some structures in solar cell and optical fiber sensing are discussed. The success of fabricating micro-nano photonic structures by holographic lithography would pave the way for more applications of these structures in wide fields.

Micro-nano photonic structures；Holographic lithography；Photonic crystals；Metamaterial

2015-07-20，

2015-11-04

國家自然科學(xué)基金項目(11274189，61405101)，山東省高等學(xué)校科技計劃項目(J14LJ06)，山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2014FP012)資助

王 霞，女，1972年生，青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院教授 e-mail: wangxia@qust.edu.cn

O433

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3461-09