专利名称：一种各向同性全空间禁带光子晶体制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全空间光子晶体，属于光电子技术领域。
背景技术：
光子产业中存在着一种基础的材料——光子晶体，光子晶体的研究不仅仅是光通 讯领域内的问题，同时它对其他相关产业也将产生巨大的影响。自从1987年Yablonowitch 和John分别独立地提出了光子晶体和光子禁带的概念以来，光子晶体就成为国内外都受 到极大重视的热点课题，在光学物理、凝聚态物理、电磁波、信息技术等领域引起了人们广 泛的关注。在这短短二十年里，光子晶体在理论研究和实验研究方面都取得了显著的成果， 并且在某些领域也有了一定的应用，比如光子晶体光集成回路、光子晶体光波导、光子晶体 滤波器等。但这毕竟是一种全新的概念，对它的研究还不够深入和广泛，其很多特性还没有 得到很好的应用，有必要开展进一步的研究，尤其是在可见光波段全向禁带的实现与展宽 方面。而光子晶体三维全空间禁带的获得是光子晶体诸多应用得以实现的前提，因此，三维 全空间禁带的实现及其制备技术更是受到人们的广泛关注，并一直是光子晶体领域理论、 实验和应用研究所关注的热点。为了实现全空间禁带，人们把注意力主要投在寻找特殊材料(如大折射率对比材 料、磁性材料、负折射率材料等)和各种技术上难实现的复杂结构上。然而，这些方法均涉 及一个共同的问题，即要使用特殊的现在很难得到甚至不存在的材料，例如，两种折射率相 同但波阻抗不同的磁性材料、负折射率材料等。因此，这方面的研究也只能停留在理论研究 的层面上。另一方面，受加工技术的限制，复杂的光学结构很难实现或成本极高，目前所实 现的全空间光子禁带几乎都是在微波波段或远红外波段。制作具有可见光范围内光子禁带 的光子晶体的报道尚不多见。另外，光子晶体的常规制作方法是相当复杂和困难的，其成本 相当高，很难大面积生产，对光子晶体的进一步发展应用有一定的阻碍作用。尤其是，可见 光范围内光子晶体的结构细微、晶格常数小，也给其制作带来了困难。因此，找到一种简单 易行、成本不高的方法制作出在可见光波段具有全空间禁带的光学结构，对光子晶体的发 展和应用都具有极为重要的意义。理论研究表明所有的布拉菲格子都可以用光学全息的方法实现，而且全息方法 具有制作工艺简单、经济、易产生各种复杂结构的优势，因此，用全息方法制作光子晶体受 到人们的广泛关注。然而，受目前现有的全息记录材料的限制，无法直接得到大的折射率调 制。因此，如何利用现有的常用全息记录材料设计一种简单易行且成本低的方法来实现全 空间禁带就是一个非常值得探索的课题。在这方面，发明人已经进行了一些非常有价值的 探索和尝试，并获得了初步的结果。本发明将以这些结果为基础，尝试在全息光子晶体全空 间禁带的实现方面有新的突破，并力争把这些方法和研究成果推广到其他的非全息光子晶 体的全向禁带的实现上，实现一种简单易行且成本不高的方法制作出在可见光范围内具有 全空间禁带的光学结构。目前，国内外都在广泛开展获得全空间禁带的理论和实验研究。
在国际上，人们已提出了全息法制作面心立方结构、金刚石结构、各种准晶结构和 螺旋结构等。Meisel等人给出了用全息法制作斜方晶系、面心、体心、金刚石结构的理论分 析；Poole等人实现了斜方晶体结构的模版。在全空间禁带的研究方面，人们的主要注意力 放在寻找高折射率、磁性、负折射率等这些目前很难实现的特殊材料和各种复杂结构上，这 使得全空间禁带研究工作的深入开展遇到了很大的困难。
发明内容
本发明就是为解决上述问题而提出的，提供一种全息全空间禁带光子晶体及其制 作方法，具有成本低，结构简单等优点，很好的解决现有技术中所存在的问题之一或全部。本发明是基于以下原理而发明的，现有技术中已经存在某些方向或者较大空间方 位上的禁带光子晶体，如果能够将上述的光子晶体做成微结构，然后再对这样的微结构进 行随机的拼合和重叠，拼合和重叠之后，从宏观上来看就是一种各向同性的的宏观结构，在 这个宏观各向同性的光子晶体结构中，对于其中的每个点，都是包含了很多随机取向的微 结构光子晶体，而这些微结构的光子晶体，要么是在一定方向上具有禁带，要么在一定空间 上具有禁带，大量的随机取向的微结构光子晶体就包括了空间上任意的方向，其结果是，从 宏观上来看，该结构上的每一个点都是全空间禁带的，从而以一种非常简单的方式实现了 全空间禁带。为了实现宏观各向同性可以采取多种方式，本发明中具体采用了两种方式，一种 方式是在同一个点上进行多次随机的曝光，从而在一个点上形成很多随机取向的具有某个 方向或者某个空间方位上禁带结构的微结构光子晶体结构，这样形成的光子晶体在宏观上 看来就是一个各向同性的，并且只要在每个点上随机取向的微结构数量上达到一定程度， 就可以实现全空间的禁带结构，另外一种方式是首先制作一个具有某个方向或者某个空间 方位上禁带结构的光子晶体，然后将该光子晶体结构进行破碎，从而形成众多的微小碎片， 每一个微小碎片都具有原来的光子晶体结构，也即每一个都成为一个微结构的光子晶体， 然后将这些微结构的光子晶体进行重新的随机拼合、重叠、成型，使用的方法可以包括粘 结，挤压等方式，并且在使得成型之后的结构具有一定的厚度和面积，这样可以实现每一个 点上包含足够数量的随机取向的微结构光子晶体。根据本发明的一个方面，提供了一种各向同性全空间禁带全息光子晶体制作方 法，其特征在于包括以下几个步骤(1)在记录介质上制作具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体；(2)将所述制作的具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体做成微结 构；(3)将所述微结构进行随机的拼合和重叠，从而形成一个新的光子晶体结构，该新 的光子晶体结构也即各向同性全空间禁带光子晶体。根据本发明的一个方面，步骤O)中的做成微结构是将制作的具有某个方向或某 个空间方位上禁带结构的光子晶体进行破碎，形成众多的微小碎片。根据本发明的一个方面，步骤(3)中的拼接和重叠采用的是粘结或挤压方式，并 且在使得形成的新的光子晶体结构具有一定的厚度和面积，实现新的光子晶体结构上的每 个点所包含的全部微结构的禁带能够覆盖全空间。
根据本发明的一个方面，其中所述的记录介质是重铬酸盐明胶(DCG)或光刻胶。根据本发明的另外一个方面，提供了一种各向同性全空间禁带全息光子晶体制作 方法，其特征在于包括以下几个步骤(1)在记录介质上制作具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体；(2)随机进行取向，在所述制作具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子 晶体的介质上再次进行光子晶体的制作，从而使得所述介质上记录有不同方向或不同空间 方位上禁带结构的光子晶体；(3)重复步骤O)，直到所述介质上的每个点所包含的不同方向或不同空间方位 上禁带结构的光子晶体已经覆盖了全空间。根据本发明的另外一个方面，所述的记录介质为DCG或光刻胶。
具体实施例方式实施例1下面以同一个点上进行多次随机的成型多个随机取向的微结构光子晶体来说明 本发明的第一实施例。这种方式实现起来较为简单，不过过程就是有点繁琐，制作全息全空间禁带光子 晶体的介质可以是目前所普遍使用的各种介质，例如DCG，光刻胶等等。实际上在一个点上 多次曝光成型就相当于在整个介质上进行多次曝光成型，所以在制作过程中只需要对该介 质进行全面的曝光成型，每一次的曝光都要覆盖整个介质，然后就随机的进行取向，不断地 在已经曝光成型的介质上进行随机取向的曝光成型，也即在同一个介质上重叠很多随机取 向的光子晶体结构，当数量达到一定程度时即可覆盖全空间，这种制作方式简单易行，成本 低廉，可以使用机器设定的自动程序进行，只需要一定的时间即可以现有技术，在不需要大 量增加成本的基础上，形成一个全空间的禁带的光子晶体结构。在上述的方法中，优选每次曝光成型具有某个空间方位上禁带结构的光子晶体结 构，因为这样可以大大减少曝光的次数，从而达到缩短时间的优点。实施例2下面以微结构重组来说明本发明形成全空间禁带光子晶体的第二实施例。相对于第一实施例来说，这种方式实现起来要复杂一点，但是在这种方式中只需 要曝光一次即可完成，大大缩短了曝光所用的时间，可以节省更多的时间。在这种方式中，首先对于介质进行曝光成型，曝光的时候是在整个介质上进行，这 样形成一个某个方向或者某个空间方位上的禁带光子晶体，优选曝光成型的具有某个空间 方位上禁带的光子晶体，这样对于最后形成的各向同性光子晶体来说有很大好处，这样可 以把最后形成的各向同性光子晶体的厚度做得比较小，而同时不会影响到全空间禁带的特 性。在形成上述的单次曝光成型的光子晶体结构之后，使用破碎机将记录该光子晶体 结构的介质进行破碎，使其成为众多微小的碎片，其中每个微小的碎片都含有原来所形成 的光子晶体结构。然后，将上述众多的微小碎片进行随机重组，使它们拼接、重叠，成为一个新的板 块结构，并使之具有一定的厚度，重组的方法可以包括粘结，挤压等我们所熟知的方式，这样，对于重组后的光子晶体结构来说，每个点上都包含有众多随机取向的微小碎片，该方法 也能实现全空间禁带。 对于本领域技术人员来说，可以想象，如果开始在原介质上曝光成型的具有一定 空间方位上禁带的光子晶体，那么重组之后的光子晶体板块则可以具有更小的厚度，所以 优选曝光成型具有一定空间方位上禁带的光子晶体。
权利要求
1.一种各向同性全空间禁带全息光子晶体制作方法，其特征在于包括以下几个步骤(1)在记录介质上制作具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体；(2)将所述制作的具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体做成微结构；(3)将所述微结构进行随机取向的拼合和重叠，从而形成一个新的光子晶体结构，该新 的光子晶体结构也即各向同性全空间禁带光子晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤O)中的做成微结构是将制作的具有 某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体进行破碎，形成众多的微小碎片。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(3)中的拼接和重叠采用的是粘结或 挤压方式，并且在使得形成的新的光子晶体结构具有一定的厚度和面积，实现新的光子晶 体结构上的每个点所包含的全部微结构的禁带能够覆盖全空间。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的方法，其特征在于其中所述的记录介质 是DCG或光刻胶。
5.一种各向同性全空间禁带全息光子晶体制作方法，其特征在于包括以下几个步骤(1)在记录介质上制作具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体；(2)随机进行取向，在所述制作具有某个方向或某个空间方位上禁带结构的光子晶体 的介质上再次进行光子晶体的制作，从而使得所述介质上记录有不同方向或不同空间方位 上禁带结构的光子晶体；(3)重复步骤O)，直到所述介质上的每个点所包含的不同方向或不同空间方位上禁 带结构的光子晶体已经覆盖了全空间。
6.根据权利要求5所述的方法，所述的记录介质为DCG或光刻胶。
全文摘要
一种各向同性全空间禁带全息光子晶体制作方法，将微结构的光子晶体进行随机取向的重新排列重叠，从而形成全空间禁带结构的光子晶体。
文档编号G02B6/122GK102087382SQ20101060257
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者任芝, 李松涛 申请人:华北电力大学(保定)