[发明专利]光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的柔性转印方法

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。实现了制备在平板衬底上的大面积介电/金属材料光子晶体在光纤端面的转印。

背景技术

“Lab-on-Fiber”技术是纳米光子学及其应用领域的重要内容和发展趋势。在光纤端面上实现不同结构形式、不同尺度、不同材料纳米光子结构的制备，是相关研究和器件研制的前提和核心内容。特别是，纳米光子结构与光纤端面的集成为探针式传感器的研制创造了优势途径。

尽管光纤端面的纳米图案化激发了众多研究兴趣和新型纳米制备方法，但这些方法基本上以百微米尺度的光纤端面为制备平台，以传统的电子束刻蚀、激光微纳直写、干涉光刻为核心技术。然而，由于光纤作为结构制备的衬底，光纤端面尺寸小、光纤本身特点与纳米制备方法要求间的矛盾，导致了相关纳米制备面临的多方面技术挑战和获得的纳米结构质量的局限性。

在大面积平板衬底上，可以利用灵活多样的纳米图案化方法实现各种纳米光子结构的制备。由此获得的高质量纳米光子结构为功能化器件的研制和应用创造优势条件。

将光子晶体制备在镀有金属氧化物的平板衬底上，再利用金属氧化物与盐酸、硫酸溶液间的化学反应，去除氧化物薄膜而使光子晶体完整地脱离衬底，实现薄膜光子晶体的制备。为光子晶体到光纤端面的转印提供了现实可行的。

本发明基于上述问题和背景技术，提出了一种模型简单、制备工艺实用强的光子晶体到光纤端面转印方法，即利用缓冲层腐蚀工艺将制备在平板衬底上的各类高质量光子晶体无损转移至光纤端面。

发明内容

首先将介电材料或金属材料光子晶体制备在镀有金属氧化物薄膜的平板衬底上。利用缓冲层腐蚀方法将薄膜光子晶体结构转移至光纤的端面。克服了光纤端面上直接制备光子晶体的难度，实现了平板衬底上制备的大面积、高质量光子晶体功能在光纤端面的微缩和集成化。此转印方法可通过两种途径实现，分别称为“剥离转印”和“焊接转印”。

光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的“剥离转印”方法(附图1)，其特征在于，包括以下步骤：

1)在镀有缓冲层薄膜的平板衬底上制备介电材料或金属材料薄膜光子晶体或微纳光栅结构，产生用于转印的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品器件；

2)将1)中制备的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品在浸入盐酸溶液中，令缓冲层薄膜与盐酸充分反应，直至薄膜光子晶体或微纳光栅结构脱离平板衬底，浮于盐酸溶液的表面；

3)从盐酸溶液中取出薄膜光子晶体或微纳光栅结构，置于纯净水中，洗去薄膜光子晶体或微纳光栅结构表面残留的盐酸溶液；

4)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构置于中空支架上，使其在空气中干燥。

5)将薄膜光子晶体或微纳光栅结构覆盖在光纤端面，使光子晶体或微纳光栅结构质量最好、均匀程度最高区域与光纤端面接触并贴合；优选薄膜光子晶体或微纳光栅结构置于中空支架上，光纤端面穿过中空支架直接与薄膜光子晶体接触贴合。

6)去除支架，修整器件。

光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面的“焊接转印”方法(附图2)，其特征在于，包括以下步骤：

1)在镀有金属氧化物薄膜的平板衬底上制备介电材料或金属材料薄膜光子晶体或微纳光栅结构，产生用于转印的薄膜光子晶体或微纳光栅结构样品器件。

2)将薄膜光子晶体样或微纳光栅结构样品水平放置，而将光纤竖直固定，并使光纤下端面自由接触于薄膜光子晶体或微纳光栅结构上表面。

3)在光纤与薄膜光子晶体或微纳光栅结构的接触点处滴下微量的透明高分子材料溶液，使高分子材料能够充分填充光纤与薄膜光子晶体或微纳光栅结构间的空间，并将光纤牢固焊接于光子晶体表面；

4)将3)中样品整体置于盐酸溶液中，使盐酸与氧化物薄膜充分反应，而使得焊接于光纤端面的薄膜光子晶体或微纳光栅结构脱离平板衬底。

5)将焊接于光纤端面的薄膜光子晶体或微纳光栅结构在纯净水中清洗后干燥成型，修整光子晶体边缘，完成转印工艺。

本发明的盐酸溶液优选质量浓度为20％。

缓冲层可采用任何溶于酸性溶液金属氧化物或其它无机物质材料的薄膜，厚度大于100nm。

用于焊接光纤端面与光子晶体表面的高分子材料为柔性材料，采用不溶于酸和丙酮的任何有机高分子材料。

采用常规的石英或玻璃光纤，对纤芯直径和包层厚度无限制。

本发明的优势特点：

1)本发明实现了具有柔性特点的薄膜金属和介电材料光子晶体或微纳光栅结构在光纤端面上的转印。