激光全息光刻技术在微纳光子结构制备中的应用进展
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第３ ６ 卷， 第１ ｌ 期
２ ０ １ ６年 １ １月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ ｏ １ ． ３ ６ ， Ｎ ｏ ． １ １ ， ｐ ｐ ３ ４ ６ １ — ３ ４ ６ ９
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ６
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
收稿 日期 ：２ ０ １ ５ — ０ ７ — ２ ０ 。 修订 日期 ： ２ ０ １ ５ — １ １ — ０ ４
可 以形成周期点 阵结构 ， 还可以制作具有旋转 对称性 的准周 期点 阵结构 ， 所得结构的品格对称性 、晶格周期 、带隙位置 、
介质 占空 比等均可调控 。因此 ， 激光 全息光 刻技术是 一种经 济快速地制作 大 面积微 纳 光子 结 构 的重要 手段 。从 衍 射光 栅、 二维光 子晶体到三维 结构 的制作 ，以及光 学周期类 准 晶
光聚合用于微加工的最初的研究之一 。Ｂ ｅ ｒ ｇ ｅ ｒ等提 出 了用全
ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ） 等， 在光信息领域发挥着 日趋重要 的作用 。具有许 多特异光学性能 的微纳光子器件 ， 使得信息技术 革命实 现了 大的 飞跃和突破 。近年来科 学界对微纳光子结构 的研究热 潮 不断涌起 ，在设 计、制备 以及应用 方面 ，相继有 很多新 的成 果出现¨ ５ ］ 。光子晶体 ， 一种具有 带隙特征 的光 子结 构 ，由于
术是一种基于相 干激光 干涉效应 的无掩模 版光刻技术 。 它采
用多束激光在 晶片表 面汇聚发生 干涉效应从 而产生各种 由亮
区和 暗区构成 的干涉 图样 。Ｋｉ ｒ ｋ ｐ ａ ｔ ｒ ｉ ｃ ｋ等曾用两 束 Ｔｉ ：ｓ ａ ｐ —
ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ 飞秒激光 相 干产 生 的干涉 条纹 照 射双 光 子聚 合材 料 ， 制作 了条纹光栅 微结 构ｌ １ ，这 是把 激光 全息 干涉 技术 结合
中图分类号 ： ０４ ３ ３
料及 光子晶体模板 方面的应 用也渐渐凸现 。 激 光全息光 刻技
引 言
微纳光子结构随着光子学 、 半导体物 理学及微 加工技术 的发展 而逐渐蓬 勃开 来 。能够 有 效 调控 光子 运 动 的光子 结
构， 诸如 手性 材 料＿ １ ］ （ ｃ ｈ ｉ ｒ ａ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ） 、光 子 晶体 ［ 剖（ ｐ ｈ ｏ — ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｓ ） 、负 折 射 率 材 料ｌ ＿ ４ Ｊ （ ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ
和其他一些特殊的结构 的制作 ， 激 光全 息光刻技术越来 越显 示了它在该领域应用 中的独特优势 。 本 文将重点讲述 该技术
在制 备多种微 纳光子结构中的应用前沿进展 。
可以控制光子流动被称之为类半导体 ，它潜在 的科 学价值和
息技术制作光子 晶体［ １ ，并在 实验 上利 用三个 衍 射光 栅制
作出二维光子 晶体 。牛津 大学 Ｃ ａ ｍ ｐ ｂ ｅ ｌ ｌ 等提 出 了用三 维全
息光 刻技 术制作 可见光 波段 的光 子 晶体Βιβλιοθήκη Baidu ｊ 。凭 借其 制作 成
域 的广泛应用提供 了基 础和方法 。 关键词 微纳光子结构 ； 激光全息光刻 ； 光 子晶体 ； 超材料 文献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ￣． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ６ Ｊ １ １ — ３ ４ ６ １ — ０ ９
本低 ， 制作面积大 ， 设 计便捷 等优点 ， 全息 光刻技 术在 制作
光子晶体 方面吸引了人们的广泛关 注［ １ ６ － １ ８ ］ 。 此外 ， 该技 术所
制作 的结构还具有灵 活多样性 。研究 表 明，多光束 干涉不仅
应用前景 同样得到 了科 学界 的关 注 ， 人 们对 其 结构 、理 论 、 制备技术等不断地进行研究并取得 了重大进展［ １ ０ － １ ２ ］ 。当前具 有应用价值 的光子材料 大部 分都来 自于人工制 备 ， 而受 限于 目前人类 的微 加工技术 水平 ， 要成 功制备 大尺度 、高质 量的 光子 材料仍然存 在着很 大挑战 ， 尤其是制作 应用范 围较 广的 光通讯波段和可见光波段 的光 子晶体更是 一普遍难 题 。 随着人们对光子结构制备技术研究 的不断进展 ， 激 光全 息光刻技术作为一种简便 的微结构制作技术在 制备微 纳超材
激 光全 息 光 刻技 术在 微 纳 光子 结构 制备 中的应 用 进展
王 霞ｈ ，吕 浩 ， 赵秋玲 ， 张 帅一 ， 谭 永炎。
１ ．青岛科技 大学数理学 院，山东 青 岛
３ ．香 港 科 技 大 学 物 理 系 ，中 国 香 港
２ ６ ６ ０ ６ １
２ ．山东省新 型光电材料与技术工程实验室 ，山东 青岛 ２ ６ ６ ０ ６ １
摘
要
微纳光子结构研究 随着光子学 、半导体物理学及微加工技术的发展 而逐渐蓬勃 开展 ， 并 在其结构 、
理论 、 制备技术等方面取得 了系列进展 。受限于 目前 的微加工技术水平 ， 要成 功制备大尺度 、高质量 的光 子 材料 仍然存 在着一定挑战 。 激光全息光刻技术作 为一 种简便快捷 的微结构 制作技术 已经发 展成为 一种经 济 快速制作 大面积微 纳超材料及光子晶体模板的重要 手段 。介绍 了激光 全息光 刻技术 的原理 ，详细 阐述 了该 技术在制作三维 面心立方 、木堆积结构 、 金 刚石 结构 光子晶体以及 光学周期类准晶 、 手性超 材料 、 周 期性缺 陷结构等微纳 光子结构 中的应用 研究 进展 。 激光全息光 刻技术成功制 作微纳 光子结 构为光子 材料在 更多领
２ ０ １ ６年 １ １月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ ｏ １ ． ３ ６ ， Ｎ ｏ ． １ １ ， ｐ ｐ ３ ４ ６ １ — ３ ４ ６ ９
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ６
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
收稿 日期 ：２ ０ １ ５ — ０ ７ — ２ ０ 。 修订 日期 ： ２ ０ １ ５ — １ １ — ０ ４
可 以形成周期点 阵结构 ， 还可以制作具有旋转 对称性 的准周 期点 阵结构 ， 所得结构的品格对称性 、晶格周期 、带隙位置 、
介质 占空 比等均可调控 。因此 ， 激光 全息光 刻技术是 一种经 济快速地制作 大 面积微 纳 光子 结 构 的重要 手段 。从 衍 射光 栅、 二维光 子晶体到三维 结构 的制作 ，以及光 学周期类 准 晶
光聚合用于微加工的最初的研究之一 。Ｂ ｅ ｒ ｇ ｅ ｒ等提 出 了用全
ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ） 等， 在光信息领域发挥着 日趋重要 的作用 。具有许 多特异光学性能 的微纳光子器件 ， 使得信息技术 革命实 现了 大的 飞跃和突破 。近年来科 学界对微纳光子结构 的研究热 潮 不断涌起 ，在设 计、制备 以及应用 方面 ，相继有 很多新 的成 果出现¨ ５ ］ 。光子晶体 ， 一种具有 带隙特征 的光 子结 构 ，由于
术是一种基于相 干激光 干涉效应 的无掩模 版光刻技术 。 它采
用多束激光在 晶片表 面汇聚发生 干涉效应从 而产生各种 由亮
区和 暗区构成 的干涉 图样 。Ｋｉ ｒ ｋ ｐ ａ ｔ ｒ ｉ ｃ ｋ等曾用两 束 Ｔｉ ：ｓ ａ ｐ —
ｐ ｈ ｉ ｒ ｅ 飞秒激光 相 干产 生 的干涉 条纹 照 射双 光 子聚 合材 料 ， 制作 了条纹光栅 微结 构ｌ １ ，这 是把 激光 全息 干涉 技术 结合
中图分类号 ： ０４ ３ ３
料及 光子晶体模板 方面的应 用也渐渐凸现 。 激 光全息光 刻技
引 言
微纳光子结构随着光子学 、 半导体物 理学及微 加工技术 的发展 而逐渐蓬 勃开 来 。能够 有 效 调控 光子 运 动 的光子 结
构， 诸如 手性 材 料＿ １ ］ （ ｃ ｈ ｉ ｒ ａ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ） 、光 子 晶体 ［ 剖（ ｐ ｈ ｏ — ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｓ ） 、负 折 射 率 材 料ｌ ＿ ４ Ｊ （ ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ
和其他一些特殊的结构 的制作 ， 激 光全 息光刻技术越来 越显 示了它在该领域应用 中的独特优势 。 本 文将重点讲述 该技术
在制 备多种微 纳光子结构中的应用前沿进展 。
可以控制光子流动被称之为类半导体 ，它潜在 的科 学价值和
息技术制作光子 晶体［ １ ，并在 实验 上利 用三个 衍 射光 栅制
作出二维光子 晶体 。牛津 大学 Ｃ ａ ｍ ｐ ｂ ｅ ｌ ｌ 等提 出 了用三 维全
息光 刻技 术制作 可见光 波段 的光 子 晶体Βιβλιοθήκη Baidu ｊ 。凭 借其 制作 成
域 的广泛应用提供 了基 础和方法 。 关键词 微纳光子结构 ； 激光全息光刻 ； 光 子晶体 ； 超材料 文献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ￣． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ６ Ｊ １ １ — ３ ４ ６ １ — ０ ９
本低 ， 制作面积大 ， 设 计便捷 等优点 ， 全息 光刻技 术在 制作
光子晶体 方面吸引了人们的广泛关 注［ １ ６ － １ ８ ］ 。 此外 ， 该技 术所
制作 的结构还具有灵 活多样性 。研究 表 明，多光束 干涉不仅
应用前景 同样得到 了科 学界 的关 注 ， 人 们对 其 结构 、理 论 、 制备技术等不断地进行研究并取得 了重大进展［ １ ０ － １ ２ ］ 。当前具 有应用价值 的光子材料 大部 分都来 自于人工制 备 ， 而受 限于 目前人类 的微 加工技术 水平 ， 要成 功制备 大尺度 、高质 量的 光子 材料仍然存 在着很 大挑战 ， 尤其是制作 应用范 围较 广的 光通讯波段和可见光波段 的光 子晶体更是 一普遍难 题 。 随着人们对光子结构制备技术研究 的不断进展 ， 激 光全 息光刻技术作为一种简便 的微结构制作技术在 制备微 纳超材
激 光全 息 光 刻技 术在 微 纳 光子 结构 制备 中的应 用 进展
王 霞ｈ ，吕 浩 ， 赵秋玲 ， 张 帅一 ， 谭 永炎。
１ ．青岛科技 大学数理学 院，山东 青 岛
３ ．香 港 科 技 大 学 物 理 系 ，中 国 香 港
２ ６ ６ ０ ６ １
２ ．山东省新 型光电材料与技术工程实验室 ，山东 青岛 ２ ６ ６ ０ ６ １
摘
要
微纳光子结构研究 随着光子学 、半导体物理学及微加工技术的发展 而逐渐蓬勃 开展 ， 并 在其结构 、
理论 、 制备技术等方面取得 了系列进展 。受限于 目前 的微加工技术水平 ， 要成 功制备大尺度 、高质量 的光 子 材料 仍然存 在着一定挑战 。 激光全息光刻技术作 为一 种简便快捷 的微结构 制作技术 已经发 展成为 一种经 济 快速制作 大面积微 纳超材料及光子晶体模板的重要 手段 。介绍 了激光 全息光 刻技术 的原理 ，详细 阐述 了该 技术在制作三维 面心立方 、木堆积结构 、 金 刚石 结构 光子晶体以及 光学周期类准晶 、 手性超 材料 、 周 期性缺 陷结构等微纳 光子结构 中的应用 研究 进展 。 激光全息光 刻技术成功制 作微纳 光子结 构为光子 材料在 更多领