ljc全息光栅的结构与表面等离子体共振激发的研究课件

1、全息光栅的结构与表面等离子体共振激发的研究应物82 李建超 08093036指导教师：程向明内容介绍制作全息光栅、研究不同的工艺过程对光栅结构和类型影响。 低空间频率-银盐干板 高空间频率-光刻胶制作符合实验室测量设备的、基于全息光栅的表面等离子体共振的样品。对不同样品进行测试及理论研究全息光栅简介利用全息照相技术制作的光栅，holographic grating 。光全息技术，主要是利用光相干迭加原理，简单讲就是通过对复数项（时间项）的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术光栅是一种光学元件。在平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。

2、由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像。所制得为透射式衍射光栅；如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜后，可制成反射式衍射光栅银盐干板制作光路图银盐干板处理工艺（SF10-60）曝光（对曝光时间进行控制）显影（温度，时间，浓度，显影液配方）定影漂白（时间，浓度，漂白液配方）曝光后的银盐干板 在显影和定影处理时,已感光部分析出的金属银分散在明胶中呈黑色, 未曝光部分的卤化银经定影水洗被溶解清除掉, 剩下呈透明的明胶, 从而得到振幅型的银盐干板。, 在银盐干板的形成过程中由于未感光部分的明胶和含银颗粒部

3、分的明胶在密度、硬度、含水量等方面有差异, 当干燥时, 两部分明胶的收缩性也不同, 从而出现了带浮雕结构的振幅型全息图银盐干板。将银盐干板进行漂白处理( 也可以在显影后、定影前进行) , 漂白液中的氧化剂将金属Ag 氧化成透明的卤化银( gX) 分布在明胶中, 这一部分与未感光部分( 经定影后) 的纯明胶在折射率和缩水性等方面有较大差异, 因此在干噪脱水过程中进一步加深了浮雕深度显影液1为实验一种所用的显影液D-19显影液2为（每1000mlD-19加1g硼酸）显影液3为D-19加硫代硫酸钠（每1000mlD-19加8g硫代硫酸钠）表中的衍射效率是只定影后烘干，未漂白前测得五块全息光栅的平均衍

4、射效率。表 2.4 显影液配方对衍射效率影响可以看出，用显影液2即D-19加硼酸制得的全息光栅衍射效率最高显影液显影液1显影液2显影液3衍射效率0.72%1.11%0.86%不同的漂白工艺对衍射效率的影响漂白液配方如下所示：A：重铬酸铵 20g 浓硫酸 14ml 水1000mlB: 溴化钾 92g 水1000ml漂白液1：取AB各一份，水5份混合。漂白液2：取AB各一份，水10份混合。漂白液3：取AB各一份，水15份混合。以下实验用光栅SF为35c/mm.。使用漂白液2，测得的衍射效率随时间变化曲线如图2-6可见，漂白时间并非越长越好，大约在干板的黑色部分完全消失之后，立即用水冲洗，效果最好。

5、试验中其漂白最佳时间约在120s左右。漂白后，切忌用吹风机或烤箱烘干，采用阴干的方式效果比较好。实验中，有些光栅经过漂白后，二级条纹再次变暗甚至消失，可见正确的漂白方法对光栅的槽型控制有很大的作用。上图各光栅使用漂白液2漂白。可以看出，此漂白液对空间频率为20-60范围内有较大的作用。工艺改进启动曝光量随显影温度的降低而减小。 曲线的斜率随着显影时间的增加而增加。为了制得正弦光栅，我们要显影药液对尽量微小的曝光量敏感，也就是说，启动曝光量要小。所以较低的显影温度明显对光栅的正弦性有利。曝光时间手动控制，在光栅上由左到又依次增大，大约从0.5s到2s.理论上的光刻胶曝光用激光器光束要经过准直，但

6、如果激光器平行度高，则可以忽略，本实验激光没有经过准直，曝光区域比较小。显影用工业NaOH,加水稀释至浓度为1.5%。显影时间很短，大约为1s左右。实验结果：如果曝光和显影良好，从灯光底下斜视，可以明显的看到曝光区域有七彩的衍射条纹。彩色条纹亮度越明显，则说明衍射强度越高。观察全息光栅，底板右边曝光过度的光栅，在显影液作用下，胶层已经完全被溶解，露出下面的硅层底板。所以光栅中心有一个明显的洞。光栅表面镀金膜样品1样品2样品3样品4样品5样品6样品7样品8镀膜时间（S）5050100100200200300300真空室压强（Pa）34.534.534.534.5等离子电流（mA）4mA8mA4m

7、A8mA4mA8mA4mA8mA镀膜后样品光透过率93%78%85%59%76%26%67%11%我们可以给出电流为8mA时，修正后的金膜涂层公式D=10.5Kit其中d是以“埃”（10-10m）为单位的镀膜厚度。K是常数，取决于溅射金属所充的气体，此时金靶与样品之间的间距大约是5cm。I是等离子流的单位mA。V是以“KV”为单位所施加的电压。T是以s为单位的镀膜时间。本实验采用金靶，没有保护气体，即所充气体为空气，空气的K为0.07。靶与样品间距为5cm。镀金之后，光栅结构如图所示。表面等离子体SPPSurface plasmon polarition表面等离子体激元是光和金属表面的自由电子

8、相互作用所引起的一种电磁波模式，或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混和激发态。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光照射下，发生集体振荡，这种表面电荷的振荡又反作用于光波电磁场，在这种相互作用中就形成了性质独特的表面等离子体激元（SPP）。SPP 沿导体表面传播的波，它是表面自由电子振动与光的电磁场的共振相互作用形成的，在垂直于导体面的方向上按指数衰减。SPP金属的介电常数为复数。在金属和介质表面电场的法线方向（y方向）不连续。正是这种不连续导致界面上出现表面极化电荷分布。TE波没有y分量， 无法激发SPPSPP是非辐射波SPP色散曲线 SPP色散曲线如右图所示

9、：光栅耦合由于空气中光锥线和SPP色散曲线无交点，无法激发SPP达到透射增强的效果所以需要借助各种耦合方式改变入射波矢使其与SPP的波矢相等。波矢匹配条件 即为光栅常数金属表面具有周期为 a 的刻槽和洞排列时，一定角度入射的光束当满足上述条件时，波矢的不匹配得到补偿，SPP 就可以被激发， 为入射角度， K为平行于金属表面的波矢，基于分光计的表面等离子体共振实验仪传感器测的等离子共振态反射曲线实物图 金膜厚度对表面等离子体共振激发的影响图3-11金膜厚度对SPR的影响图3-11为正弦镀金光栅周期为1000nm，入射波长为1500nm,光栅振幅60nm时测得的反射率曲线。当表面金膜厚度小于I00

10、nm时，SPR共振角和SPR共振深度随着金膜的厚度增大而增大，SPR共振半高宽随着金薄膜的厚度增大而减小。在正弦光栅结构中金薄膜对光波与表面等离子体波耦合程度的影响和矩形光栅结构相同，都是增强耦合程度，当表面金膜厚度大于100nm，可以看作是由介质到半无限大金属表面的共振。SPR共振角，SPR共振深度和SPR共振半高宽将不随表面金膜厚度的增加而变化。由图3-11可知当表面金膜厚度小于100nm时，反射率与入射光波长的关系曲线将不随金膜厚度增大而变化。光栅振幅对表面等离子共振激发的影响为正弦镀金光栅周期为1000nm，入射波长为1500nm，表面金膜度100nm时测得的反射率曲线。当正弦光栅的槽

11、深小于60nm时，SPR共振深度随着光栅槽深的增大而增大，当光栅槽深为60nm时，SPR共振深度达到最大，在光栅槽深大于60nm后，SPR共振深度随着光栅槽深的增大而减小。因此对于此正弦光栅结构，存在合适的槽深使得SPR共振深度最大。图3-1219中也有另一个不显著的结构（不规则），此处衍射强度明显不连续。这是由于衍射条纹的-1级条纹的消失而引起的。在不连续结构的上面和下面都是随衍射强度是按照h2的方式增加的，但SPR的强度却并不是按照h2的方式增加。光栅对等离子体共振色散曲线的影响可以看出，金属与非线性介质界面处的表面波色散关系会随着非线性项的变化而改变。当非线性项为正数时，表面等离子体频率

12、会变小，相同频率的表面波会有更大的波矢；非线性项为负数时，表面等离子体的频率会增大，同频率的波对应波矢会小一些。当非线性项大于0时相当于介质的介电常数增大，从而介质的折射率变大，相同频率对应的波矢变小。我们可以通过调节非线性项的大小和入射场得强度来控制激发的表面等离子波的波矢所以不同光刻胶的光栅，会对表面等离子体共振的色散关系产生一定的影响。实际上，同种胶面的光栅，随着h值大小和剖面的不同，也会对光栅的色散关系产生一定的影响，这是由于不同的h值和剖面，对光的散射关系不一样。例如剖面适合瑞利散射时，SPPs的波长会偏向它的四次方，但也可能有的剖面会增强表面拉曼散射效应。结论与银盐干板不同，由于光刻胶优良的性质，胶层的刻蚀深度和曝光的线性度匹配的比较好，所得光栅为浮雕型。而银盐干板的浮雕深度与漂白还有SF有很大的关系，一般来说，随着SF的增大，它的浮雕性就越来越差，但是SF小的时候，又很难形成正弦光栅。光刻胶可以做到很高空间