全息方法制作面心立方晶格结构

崔丽彬，邱 菊，赵 洁，薛红玲

（北京工业大学 实验学院，北京 101101）

1 引言

激光的相干性很强，多束激光的空间干涉形成了亚微米大小的周期格阵的光强分布，因此，在记录介质中产生周期性的强弱曝光分布.经显影和定影处理后，光强在介质中的空间分布转化为折射率的空间分布，假设这种转化是线性的，则强曝光处对应于折射率的极大值，弱曝光处对应于折射率的极小值.这样全息介质就具有了周期性电容率结构.激光全息方法在制作亚微米量级的结构方面具有其他方法无可比拟的优势，其他技术［1］，如半导体加工工艺，很难做到亚微米的尺度.激光全息在亚微米量级的微加工制作方面的应用，使人们进一步看到了激光全息技术的应用前景和潜力.

2 理论依据

用2束、3束光分别能形成1维、2维的光强分布的周期格阵.近几年人们致力于用多束光形成3维光强分布的周期格阵［2-5］.计算结果［6］发现14种基本的布拉格点阵大部分能通过多光束干涉构成.基于对称性的考虑，要构成3维周期的相干图样，至少需要4束对称排列的入射光.4束光干涉如图1所示，取球坐标的原点作为相干区域的中心点.每束光的极角和方位角分别用θ和φ 表示.其中第1和第2 束在A 平面内，第3和第4束在B 平面内，且平面内的每束光与另一平面的每束光的极角互补.如果平面A 与B 不垂直，得到的图样为体心单斜或四方晶格点阵，否则为体心正方点阵.当极角为某些确定值时，变为正立方点阵.从图1 中可以看到，光束1 和2以及光束3和4几乎要从2个相反的方向射向原点.这在实验安排上很困难.因此，本文采用了一种实用光路，使光束从相同的半空间内射向原点.模拟计算表明，让第1 束光与z轴同向，另3束光以相同的极角射向原点.另3束光之间的夹角两两相等，即方位角差均为120°时，光学晶格为面心结构.当第2，3 束光位于A 面，并对称地分布在z轴两侧.第4束光位于B 面.此时光学晶格为体心四方.

图1 四束入射相干光的空间分布

3 实验制作

采用Berger 等人［7-8］的方法，利用多个光栅对1束平行光进行衍射，进而得到所需的光束偏转角度.

采用图2所示的实验光路制作光栅母板.采用Meils Griot公司的85-BLT-601型激光器，输出波长为457.9nm，输出功率为330 mW，线宽为200kHz.制作实验中使用1μm 厚的光刻胶.图3是使用该光路进行1次曝光的光栅照片（放大1 000倍），实验中2束光的夹角39°.

图2 制作光栅母板的实验光路

图3 光栅的显微镜照

实验中将全息底片固定在可以旋转360°并且带有准确刻度的圆盘上，并在其前方紧贴光刻胶的位置放置遮光罩，仅在需要曝光的位置开孔，以此来尽量减少曝光时对感光底片其他区域造成的影响.第1次曝光后之后，让底片旋转120°，曝光得到第2个光栅，再旋转120°，曝光制作出第3个光栅.经过显影、定影后，形成如图4所示的3个光栅的分布，这就是实验制作面心立方结构所需要的光栅母板.用平行光束垂直入射到母板，该光栅的1级衍射光强分布如图5所示，用功率计测量光通过光栅前后的光强大小，测出光栅衍射效率可以达到40%.

图4 3个光栅的空间分布

图5 平行光入射到光栅母板后的1级衍射图样

当平行光射到母板上时，光经3个光栅发生衍射.中间不经过光栅的透射光与3束衍射光相交.通过控制光栅常量及光栅的空间方位，可使3束衍射光之间及与中间透射光之间的角度等于39°，这一角度满足制作面心立方结构的要求.从而形成面心立方结构的光学晶格结构.

面心立方晶体结构的制作光路如图6所示，实验中所用的记录介质为厚度36μm 的重铬酸盐明胶（DCG）.由于重铬酸盐明胶全息图是由折射率变化导致的纯相位分布结构，而没有表面的浮雕结构和介质内部的空隙，因此，无法得到电镜片，只能通过可见光观察.当用可见光照射时，折射率的空间变化导致透射光强的空间分布，由此显示出介质内部的结构.用装有CCD 相机的1 200倍显微镜在可见光下观察并拍摄其晶格结构.图7给出了用重铬酸盐明胶介质制作的面心立方结构光子晶体的（111）面显微照片.这是我们所能得到的最大放大倍数的显微照片.

图6 面心立方晶体结构的制作光路

图7 用厚度为36μm 的重铬酸盐明胶记录的面心立方结构光子晶体的（111）面显微照片

计算结果表明用波长为457.9nm 的光制作的面心立方结构晶体，其晶格常量为1.1μm，这一数值与实验结果一致.

4 结论

用四束激光干涉的方法制作出了亚微米量级的面心立方结构，实验中是用光栅母版来调整相干光之间的方位角，通过改变光栅常数就可以得到我们所需要光的传播角度，这样就解决了在实际光路中安排多束光时带来的困难.用类似的方法还可以制作其他类型的光学晶格结构.此外，如果实验中用光刻胶作为记录介质，曝光强的格点处在显影时被洗掉，可以在这些位置上填充其他材料.因此，就可以制作出实际需要材料的三维周期结构.

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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］李争路，笒剡.平行光斜入射光栅（矩孔）的衍射光场［J］.物理实验，2011，31（8）：43-46.