[发明专利]一种基于纳米光子结构的多功能薄膜透镜制备及应用

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。