[发明专利]一种基于飞秒激光直写的光学模拟平台制备方法

说明书

本发明提供了一种基于飞秒激光直写的光学模拟平台制备方法，包括：样品片准备、加工台调平；之后启动加工程序，使得飞秒激光焦点位于光刻胶/硅的交界面而且在激光焦点保持不动的同时，样品片按照设计结构实现长程连续移动，最终在样品片上完成整个波导阵列的扫描；然后再经未交联光刻胶去除、旋涂波导阵列包层等步骤，既得到微米级别聚合物基波导阵列。该制备方法利用飞秒激光双光子聚合高精度点‑线‑面加工能力实现微米级别聚合物基波导阵列的快速制备。由于飞秒激光无掩模、真三维的加工特点，实现了聚合物波导阵列任意的高度、宽度、截面的精确定制，进而利用波导截面双折射梯度实现相关光学模拟实验。

技术领域

本发明属于光学模拟平台领域，具体涉及大面积波导阵列与定向耦合器结构等微光学器件制备，利用无需掩膜的飞秒激光直写技术制备灵活可设计的波导阵列，严格控制其高度、宽度、截面形状，以满足不同光学模拟需求的器件制备。

背景技术

在物理学中，光学晶格为研究光学、量子光学、凝聚态现象等提供了一种非常有效的观测平台。如布洛赫震荡，布洛赫从薛定谔方程的解得到启发，推导出在周期势场中运动电子的波函数是一个调幅平面波，调幅因子(布洛赫波包)具有和晶格势场相同的周期性，由于实验上未得到验证，引起了超过60年的争议。因为布洛赫振荡产生的条件是散射时间要大于布洛赫周期，因此自然晶格不能满足此条件，直到1991年才有半导体超晶格中观察到。后来，人们发现在光学系统上更容易模拟此现象。与量子系统相比，在光学方面的模拟研究优势包括：(1)在空间中对典型超快现象直接进行可视化的研究；(2)通过简单的几何弯曲或扭曲就能够引导光子进而模拟相干激光物质相互作用结构。

光学布洛赫振荡的实现通常涉及到一个具有线性变化折射率分布的周期结构的构造。这类似于在原子晶体中作用于电子的静电场。在波导阵列中诱导折射率梯度的方法有几种：一是在阵列两侧放置不同温度的热源，形成横向温度梯度场，通过热光效应诱导折射率梯度；另外，每个波导的有效折射率可以通过对阵列施加横向电压来控制；最后，利用波导阵列的弯曲产生的保角变换导致光加速形成梯度。然而目前的光学模拟平台基本都是基于SOI平台制备的硅基波导阵列，其天然的“扁平性”就限制了波导高度梯度的实现，进而忽视了光学模拟中重要的信息单元载体，偏振信息。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于飞秒激光直写的光学模拟平台制备方法。该制备方法利用飞秒激光双光子聚合高精度点线面加工能力实现微米级别聚合物基波导阵列的快速制备。由于飞秒激光无掩模、真三维的加工特点，实现了聚合物波导阵列任意的高度、宽度、截面的精确定制，进而利用波导截面双折射梯度实现相关光学模拟实验。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于飞秒激光直写的光学模拟平台制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)：样品片准备

首先，将SOI晶圆按照解离面切割成长方形作为衬底，依次用浸泡有丙酮、乙醇的脱脂棉进行擦拭，然后用去离子水进行冲洗，并用氮气吹干待用；然后，将聚合物光刻胶溶液旋涂至衬底，所用转速为500-4000r/min，所用匀胶时间为20-60s，最后，将旋涂完毕的片子置于热台上进行前烘，分别是65℃下5min，90-120℃下15-30min，最终得到膜厚2到20μm的待加工样品片；

步骤(2)：加工台调平

首先，将待加工样品片固定到带有调节装置的样品台上；然后，打开激光光闸，调节样品台高度使得可以在CCD中观察到样品上光点形貌；移动样品位置，调节样品台上旋钮，使得样品台在X-Y面上做平动时，激光焦点始终聚焦于光刻胶/衬底交界面而不发生相对移动且光点形貌保持不变；此时，加工台已调平；

步骤(3)：波导阵列的飞秒激光直写扫描

启动加工程序，使得飞秒激光焦点位于光刻胶/硅的交界面而且在激光焦点保持不动的同时，样品片按照设计结构实现长程连续移动，最终在样品片上完成整个波导阵列的扫描；