Дифракция Лауэ на двумерных фотонных структурах, созданных методом лазерной литографии

В ходе данной работы были созданы и исследованы фотонные структуры, созданные методом лазерной двухфотонной литографии. Эти структуры имеют гексагональную симметрию. Во время исследований была изучена дифракция Лауэ на созданных структурах. В ходе исследований была обнаружена сверхструктура на картинах дифракции.

Цель: Исследовать фотонные структуры.
Задачи: Создать фотонные структуры с помощью метода лазерной литографии; изучить дифракцию на созданных структурах; теоретическое обоснование полученных результатов.

Целью моей работы является создание двумерных фотонных структур с квадратной С_4v, ортогональной С_2v и гексагональной симметрией С_6v с помощью технологии лазерной двухфотонной литографии[1], а также исследование оптических свойств полученных структур дифракционным методом.

Фотонные структуры были созданы на лазерном литографе фирмы LZH (Германия), использовался фемтосекундный лазер 50fs TiF-100F с центральной длиной волны 780 нм, длительностью импульса 50 фс и частотой повторения 80 МГц (Авеста-Проект, Россия). Структуры создавались из полимера на основе пропоксид-циркония с фотоинициатором Irgacure 369 (Ciba Spespciality Chemicalc Inc., США). Структура образцов изучалась в оптическом микроскопе, а также методом сканирующей электронной микроскопии[2,3].

Для исследования оптической дифракции использовалось сфокусированное лазерное излучение (λ= 530 нм). Подложка закреплялась на столике Федорова, который позволяет производить юстировку образца по трем осям. Дифракция наблюдалась на экране, расположенном за образцом, и регистрировалась с помощью цифровой фотокамеры[4].

Для интерпретации экспериментальных результатов рассматривалась дифракция Лауэ на одномерной цепочке рассеивателей, при этом угол рассеяния составляет 2θ_s=2arccos(nλ/a). При исследовании картин дифракции от структур с малым количеством рассеивателей наблюдалась сверхструктура[5].

Метод двухфотонной лазерной литографии, известный в англоязычной литературе под названием «direct laser writing», представляет собой современную технологию создания одномерных, двумерных и трехмерных микро- и нанообъектов с высоким пространственным разрешением до 100 nm. Технология основывается на эффекте нелинейного двухфотонного поглощения и реализована благодаря появлению фемтосекундных лазеров большой мощности. Фокус лазерного луча сканируется по объему фоторезиста и когда достигается определенное пороговое значение интенсивности, в фоторезисте происходит процесс полимеризации. Компьютерное управление сканированием фокуса лазерного луча по объему фоторезиста позволяет получать микро- и нано-структуры произвольной размерности и форм.

Дифракция света на низкоконтрастных структурах, к которым относятся образцы, получаемые методом лазерной литографии, описывается в борновском приближении теории рассеяния. При этом основные особенности дифракционных картин определяются структурным фактором рассеяния, который рассчитывался в данной работе.

Основным результатом работы является наблюдение сверхструктуры, т.е. разбиения прямых и гипербол на отдельные дифракционные рефлексы, число которых определяется числом рассеивателей конкретного образца. Благодаря большой интенсивности дифракции и высокому разрешению на экспериментальных картинах удается определить число отдельных рефлексов и сопоставить с результатом, который следует из расчетной дифракционной картины. 

1. K. Sakoda. Optical Properties of Photonic Crystals. – 2nd edition. – Springer, 2004. – P. 272.
2. И. И. Шишкин, К. Б. Самусев, М. В. Рыбин и др. Стеклообразная наноструктура, изготовленная методом лазерной нанолитографии // ФТТ. – 2012. – № 54. – стр. 1852-1857.
3. Photonic Crystals: Physics, Fabrication and Applications, Ed. by K. Inoue, K. Ohtaka. – Springer, 2004. – P. 348.
4. Ivan I. Shishkin, Kirill B. Samusev, Mikhail V. Rybin et al. Inverted Yablonovite-like 3D photonic crystals fabricated by laser nanolithography // Proc. SPIE. – 2012. – Vol. 8425. – Pp. 84252C-84252C-5.
5. K. Б. Самусев, Г. Н. Юшин, М. В. Рыбин, М. Ф. Лимонов. Структурные параметры синтетических опалов: статистический анализ данных электронной микроскопии // ФТТ. – 2008. – Т. 50. – С. 1230.

We studied optical diffraction on fabricated structures experimentally by monochromatic illumination with wavelength λ=0.53 μm. Also superstructure was observed on diffraction patterns i.e. straight lines and hyperboles division separate maximums. Obtained results were theoretically interpretated via diffraction pattern calculation in the Born approximation and Laue equations.