这篇论文的研究内容由北卡罗来纳大学夏洛特分校的Victoria Paige Stinson及其所在团队完成，发表在《Optics》期刊上。本文将详细介绍该研究的过程、面临的挑战以及未来的前景。
光子晶体因其能够诱导高反射光子带隙而在传感应用中受到广泛关注。传统的光子晶体通常通过不同材料的交替层来实现所需的介电对比度，而本研究采用了一种新颖的方法，通过双光子聚合技术制造一维光子晶体，利用单一光敏聚合物（IP-Dip）中的低密度和高密度层交替来实现介电对比度。这种方法不仅提高了设计的灵活性，还为光子晶体的应用开辟了新的可能性。
本研究的主要目的是制造一种具有机械缺陷层的一维光子晶体，并探讨其在机械刺激下的光学特性变化。研究团队首次在光子晶体中引入了具有不同弹性特性的中央缺陷层，并通过施加压缩力来控制缺陷模式共振。这一创新的设计为微型机器人和微光电机械系统（MOEMS）等领域的光学传感器提供了新的应用前景。
研究团队使用简单的分层光学模型（WVASE32）设计了一维光子晶体。该模型通过Fresnel方程和薄膜干涉表达式计算给定分层设计的光谱响应。光子晶体由高密度层、低密度层和缺陷层三种介电材料组成。高密度层完全由光敏聚合物（IP-Dip）构成，而低密度层和缺陷层的介电常数则通过Bruggeman有效介质近似法计算得出。研究团队使用了Nanoscribe公司的双光子聚合系统（Photonic Professional GT），在熔融石英基底上聚合光子晶体。由于缺陷层中的弓形柔性结构接近双光子聚合系统的分辨率极限，因此必须优化制造参数，以确保所需几何形状的实现。
在制造过程中，研究团队进行了剂量矩阵实验，改变了激光扫描速度和功率，以优化光子晶体的结构。最终确定的最佳参数为500 mm/s的扫描速度和50%的激光功率，这使得缺陷层的弓形结构能够如预期般灵活。为了补偿在制造过程中可能出现的膨胀和收缩现象，研究团队采用了缩放因子的方法，以确保最终结构的几何形状和光学性能。
研究团队在红外光谱范围内（2000 cm⁻¹至3000 cm⁻¹）进行了反射测量，以评估光子晶体在压缩测试下的光学特性。通过施加0.84 mN的压缩力，观察到缺陷共振模式在光子带隙内的位移，实验数据与模型计算结果之间的良好一致性表明了设计的有效性。研究团队还计算了缺陷层的机械特性，发现其弹簧常数与使用双光子聚合技术制造的微型弹簧的报告值相似。
在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，制造精度是一个关键问题，缺陷层的几何结构复杂，制造过程中需要精确控制激光扫描速度和功率，以确保所需的结构特性。其次，光敏聚合物在聚合过程中可能会出现膨胀和收缩现象，这对最终结构的几何形状和光学性能产生影响。研究团队通过应用缩放因子来补偿这些效应。此外，在压缩过程中，如何有效地控制缺陷层的光学特性也是一个关键问题。研究团队通过优化模型参数和进行最佳拟合分析，成功地实现了光学特性的调控。
本研究的成功为一维光子晶体的机械调谐提供了新的思路，具有广泛的应用前景。未来的研究可以集中在几个方面：首先，将这种具有机械调谐能力的光子晶体应用于微型机器人、MOEMS和生物压力传感等领域，开发出更高灵敏度的传感器；其次，探索其他光敏材料的应用，以提高光子晶体的性能和适用范围；最后，结合光子晶体的光学特性与其他功能（如电学、热学等），开发出多功能的微型器件，以满足未来技术的需求。
通过双光子聚合制造的具有机械缺陷的光子晶体的研究，展示了光子晶体在光学和机械领域的潜在应用。研究团队的创新设计和实验结果为未来的光子晶体研究奠定了基础，预示着在微型传感器和智能材料领域的广阔前景。随着技术的不断进步，光子晶体的应用将更加多样化，为科学研究和工业应用带来新的机遇。
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https://doi.org/10.3390/opt4020021