1 引 言
光栅作为一种分光元件,广泛应用于光谱测量、光计算及光学信息处理等领域中。自从1819年夫琅和费制成世界上第一块光栅[1],光栅制造技术经历了几次大的改进,每次大的改进都依赖于技术上的进步和理论上的突破,当今光栅的发展趋势正朝着高衍射效率、大面积、新品种的方向发展。由于传统光栅制备工艺的困难和昂贵的成本,在许多场合已由全息光栅取而代之。本文介绍应用偶氮苯聚合物光致表面调制效应制备位相光栅的新工艺,对光致表面调制效应的产生进行了分析,对全息光栅法应用于新材料产生的光栅的独特性质进行了描述,给出了应用新材料制备光栅的实验结果。
2 基于偶氮苯聚合物光致表面调制效应制备光栅的新工艺
传统的全息光栅的制作方法是利用单色激光的双光束干涉图样直接曝光涂有光刻胶的基片,再经腐蚀显影、定影和烘干程序后在真空系统中镀膜获得[1]。随着科学技术的不断发展,人们对全息光栅法的研究不断深入,特别是对记录材料的研究。人们发现利用热塑光电材料的性质也可在热塑光电导体上刻写光栅:当带电薄膜暴露在干涉图样下并被加热到接近聚合物的玻璃态转变温度时,表面产生变形,冷却后即可形成光栅[2]。但其工艺仍显复杂。
基于对材料学研究的不断深入,特别是对高分子材料研究和激光技术的发展,科学家最近发现了一种新型的可用于全息光栅法的记录材料———偶氮苯聚合物。基于偶氮苯聚合物的光致表面调制效应[2],人们可极大简化全息光栅法的工艺流程。
2·1 偶氮苯聚合物光致表面调制效应
1995年Kumar等人[2,3]发现:将含有偶氮苯发色基团的高分子聚合物置于由两束波长为488 nm的Ar+激光所形成的干涉场下时,材料表面会出现高低起伏的光栅结构,光栅的常数和激光干涉场的空间周期相同,撤去激光干涉场后,在温度低于聚合物玻璃态转变温度(通常大于100℃)的情况下,光栅结构保持不变,性能稳定。他们称之为偶氮苯聚合物的光致表面调制效应。
2·2 应用新材料的全息光栅法的特点
采用新材料的全息光栅法与以往的相比具有如下优点: (1)工艺流程极为简单,不需经过腐蚀显影、定影和烘干等程序; (2)光栅的大小由激光干涉场的大小决定,但由于不需要全息法的后续处理过程,因此可获得尺寸极小的光栅元器件,可用于集成光学元件的制造; (3)由于偶氮苯聚合物薄膜自身的透光性可形成透射光栅。
由于采用新材料的全息法是一步成形,不需要类似于全息法的后续化学处理过程,因此可在薄膜的同一区域刻划多套光栅[2],这为傅立叶闪耀光栅的制造提供了可能,目前已有了利用这一特点实现傅立叶闪耀光栅制造的报道[4]。
应用偶氮苯聚合物光致表面调制效应制造表面位相光栅可以方便地控制光栅的调制深度(通过控制光照时间)进而实现对光栅衍射效率的控制。已有的实验[5]表明,光栅常数可在十分之几到十几个微米间变化,表面调制深度可达几百纳米。实测的一级衍射光的衍射效率可达40%。更为重要的是,由于可以在相当大的范围内控制光栅常数和表面调整深度,有可能制造出零级衍射为零的位相光栅,这样将使表面光栅的高次衍射效率提高到一个更高的水平。这种基于偶氮苯聚合物光致表面调制效应的全息光栅制造方法,不仅能提高光栅本身的性能指标,还由于它的简便易行,进一步拓宽了光栅的应用领域。目前采用这种方法制造光学波导已经实现[6]。
3 偶氮苯聚合物形成光栅的独特性质
应用偶氮苯聚合物光致表面调制效应制造的表面位相光栅可以擦除[7],这是全息法使用的其它记录材料所不具备的特性。当光栅被加热到聚合物的玻璃态转变温度时,聚合物熔化、光栅结构消失,擦除后的薄膜可重新用于刻写。除了通过加热的方式擦除光栅以外,还可通过激光照射的方法来实现光栅的擦除(这里所指的擦除是在单色激光束垂直照射表面位相光栅的情况下发生的,对擦除光束的波长、功率密度和照射时间都有一定的要求)而且光栅的光学擦除不但与擦除光束的偏振方向有关,还与形成光栅时所用激光束的偏振方向有关,换句话说,光栅在形成时记忆了创造它们的光束的偏振状态并相应地在擦除特性中表现出来。类似的记忆效应在全息光栅中以前还从未发现过。
对于不同刻写条件下获得的位相光栅,具有不同偏振状态的单色擦除光束的擦除效果是不一样的。选择擦除光束的偏振状态为:iv圆偏振;线偏振(偏振方向平行于光栅凹槽);线偏振(偏振方向垂直于光栅凹槽),得到的擦除结果如下:
对于使用P偏振(偏振方向位于入射面内且垂直于入射光束)激光束刻写的光栅,三种擦除光束均导致衍射效率的下降,但三者的擦除速率是不一致的,Ⅱ的擦除速率最大。
对于使用偏振平面与P偏振成45°角的线偏振激光束刻写的光栅
在擦除时最有效,但是不但不擦除,反而使衍射效率有一小的增长。对来说,光栅本质上是“固定”的,没有擦除现象会发生。这一结果对这类光栅作为相位光刻掩膜有十分重要的意义。因为,如果一个光栅是用适当的偏振光刻写的,那么我们就能用这一光栅作为一个相位光刻掩膜在类似的聚合物或其它光敏材料上直接复制其他光栅而不必当心光刻掩膜的被擦除,只要我们选择了正确的偏振方向的光来照射相位光刻掩膜。
对于使用圆偏振激光束刻写的光栅,用iv和都能擦除光栅的擦除速率大于iv;但是,用擦除光进行“擦除”时,经过一段时间衍射效率可达到了最初数值的两倍。“擦除”时衍射效率的这种增长在全息制作的表面结构光栅中从未发现过。
对光栅擦除的偏振依赖性的了解对于此类光栅应用于激光技术中是十分重要的,因为它对光栅的使用提出了限制条件,这不利于此类光栅作为透射光栅或波导器件的使用,但若在形成的光栅表面镀上一层金属将其作为反射光栅使用就不存在上述限制情况了。
4 全息光栅的制备及实验结果
实验使用偶氮苯聚合物由清华大学化学工程系王晓工教授领导的课题组提供[8]。偶氮苯聚合物通过如下工艺在玻璃基底上制成薄膜:偶氮苯聚合物配成10%的DMF(二甲基甲酰胺)溶液,静置48 h后离心,除掉沉淀。预先吹热旋转台,然后加上玻璃片进行镀膜,使用中国科学院微电子中心研究部生产的KW-4A型台式匀胶器旋转镀膜。选择旋转镀膜机的转速为1 000 r/min,时间为1 min。镀完膜后,在70℃的真空烘箱中真空干燥48 h。薄膜的典型厚度为0·8μm。实验装置如图1所示。
实验条件:照射激光束的波长为488 nm,强度30 mW/cm2,照射时间15 min,激光入射角θ=14°,由公式d =λ/2sinθ可知光栅常数为1·01μm。
实验所得光栅结构如图2、图3所示。形成的光栅凹槽深度与聚合物的偶氮苯基的类型有关。图中的光栅凹槽深度为150 nm,光栅常数约为1μm,与理论值相同。
5 结 论
基于偶氮苯聚合物光致表面调制效应的全息光栅制造方法不需要以前全息法所必需的后续化学处理过程,只要有合适的激光光源和聚合物薄膜就可,相对于以往的全息法来说,新工艺十分简单,一步成型。若需要制备反射光栅,只需在所得的薄膜光栅上镀一层金属即可。新材料应用于全息法制备光栅唯一的缺点就是当将所得光栅作为透射光栅或波导器件使用时有限制条件。新工艺目前面临的困难主要是大面积激光干涉场和大面积薄膜的获得,以及具有光致表面调制效应的材料还不多。但随着人们对高分子材料研究的深入和激光技术的发展,上述问题必将迎刃而解。光栅制造也将迈入一个崭新的发展阶段。
参考文献:
[1]母国光·光学[M]·北京:人民教育出版社,1978·
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[3] Rochon P, et al·Optically induced surface gratings on azoaromaticpolymer films[J]·Appl·Phys·Lett·1995, 66: 136·
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[5] Kim D Y, et al·Polarized laser induced holographic surface relief grat-ings on polymer films[J]·Macromolecules·1995, 28: 8835·
[6] Rochon P, et al·Optically inscribed surface gratings in azopolymersused in resonant structure[J]·SPIE·1997, 2998: 214·
[7] Jiang X L, et al·Unusual polarization dependent optical erasure of sur-face relief gratings on azobenzene polymer films[J]·Appl·Phys·Lett·1998, 72: 2502·
[8]杨海军·环氧树脂基光动力高分子的合成和光加工[D]·清华大学化工系,1999·
[9] Xu Mai, et al·Simple versatile method for fabricating guided-wavegratings[J]·Appl·Opt·1985, 24: 3155·
作者简介:赵鹭明(1976-),男,福建人,清华大学硕士研究生,从事激光法分离同位素的理论和实验研究。
