（光学专业论文）大面积光折变光子晶格的制作及其光学特性研究.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 19 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n 提出介电常数呈周期性分布的材 料可以改变在其中传播的光子的行为，并称这种材料为光子晶体( 光子晶 格) ，由于其潜在的科学价值和应用前景受到各国科研人员的关注。国内 外研究机构相继采用不同的方法对光子晶格的结构、理论、制作技术及 其崭新的物理性质等进行了研究并取得了重大进展。 目前国内外传统的制作技术存在制作周期长、制作的光子晶格面积小 等缺点，限制了其应用的范围。近年来，光辐照技术被认为是一种直接、 快速、低成本、高效益的光折变光子晶格制作技术，引起广泛关注。本 文主要研究利用光学傅立叶变换、单光束扫描、掩模成像以及干涉技术 在掺铁铌酸锂( l i n b 0 3 ：f e ) 晶体中制作大面积光折变光子晶格的方法；理 论和实验研究了应用观测系统对光写入光子晶格的折射率分布的测量方 法；研究了i n ：f e ：l i n b o ，晶体中近红外光辐照下的光折变效应。针对以 上课题从理论到实验方案，对大面积光子晶格的制作和折射率分布的观 测方法进行了深入研究。所完成的主要工作如下： 1 从光折变动力学方程组出发对光折变晶体中光致折射率变化进行 了理论分析。基于单马赫曾德干涉仪装置和光束分析仪( l b a 。p c ) 组成的 观测系统，研究了光折变晶体中光致折射率变化的测量原理，提出了利 用观测系统对折射率调制度进行三维可视化观测的方法。此外，在功率 密度为毫瓦量级的连续激光辐照下，成功地利用上述方法对l i n b 0 3 ：f e 晶体中的光致折射率变化分布进行了测量。 2 本文主要研究利用不同结构的辐照光场在光折变晶体中制作各种 大面积光折变光子晶格的方法。提出了利用单片状光束扫描法和单马赫 曾德干涉法在光折变晶体中制作一维大面积平面光折变光子晶格；提出 了一种制作并读出( 2 + 1 ) 维大面积光折变光子晶格的三马赫曾德实验系 统。并分别在l i n b 0 3 ：f e 晶体中进行了实验验证，制作了多层、交叉和 正方格子型大而积光子品格。 内蒙古师范大学硕士学位论文 3 通过几种光辐照技术在不同厚度l i n - b 0 3 ：f e 晶体中制作了一维、 ( 2 + 1 ) 维大面积光折变光子晶格。实验研究了辐照光的偏振方向、辐照时 间和晶体掺铁浓度、厚度对光子晶格及其折射率调制度的影响。给出了 实现大面积、小周期光子晶格制作的实验参数，并对在实验中需要注意 的问题进行了详细说明。 4 在一维情况下，研究了光子晶格的全息干涉图的占空比与折射率调 制度的关系。 5 在实验中利用近红外弱光在i n ：f e ：l i n b 0 3 晶体中实现了光致折射率 变化效应。对于采用近红外弱光辐照引起的晶体折射率变化规律不同于 可见光波段辐照的实验结果进行了实验研究和理论分析。实验上研究了 辐照光的偏振态、光强及辐照时间三者对光致折射率变化的影响。理论 上分析了近红外弱光引起i n ：f e ：l i n b 0 3 晶体光折变效应的物理机制及其 折射率变化规律。 关键词：光子晶格，光辐照技术，掺铁铌酸锂晶体，折射率调制度，近红 外光 a b s t r a c t i n19 8 7e y a b l o n o v i t c ha n ds j o h np o i n t e do u tt h a tt h eb e h a v i o ro f p h o t o n sc a nb ec h a n g e dw h e np r o p a g a t i n gi nt h em a t e r i a lw i t hp e r i o d i c a l l y d i s t r i b u t e dd i e l e c t r i c c o n s t a n t ，a n d t e r m e ds u c hm a t e r i a l p h o t o n i c c r y s t a l ( p h o t o n i cl a t t i c e s ) p h o t o n i cl a t t i c e sh a v ea t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o nd u e t ot h e i rp o t e n t i a ls c i e n t i f i cv a l u ea n dw i d ea p p l i c a t i o n s d i f f e r e n tm e t h o d s h a v eb e e nu s e dt or e s e a r c ht h es t r u c t u r e s ，t h e o r i e s ，f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e sa n d b r a n d 。n e wp h y s i c a lc h a r a c t e r so f p h o t o n i cl a r i c e sb yt h er e s e a r c hg r o u p sa l l o v e rt h ew o r l d ，a n dg r e a tp r o g r e s s e sh a v eb e e no b t a i n e d c u r r e n t l y , i th a st h ed i s a d v a n t a g e so fl o n gf a b r i c a t i o np e r i o da n ds m a l l l a t t i c ea r e ao ft h et r a d i t i o n a lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s t h u st h ea p p l i c a t i o no f p h o t o n i cl a t t i c e si sl i m i t e d r e c e n t l y , l i g h t i r r a d i a t i o nm e t h o d sa t t r a c tm u c h r e s e a r c hi n t e r e s ta sa r e c o g n i z e dt e c h n o l o g yf o r d i r e c t ，r a p i d ，a n d c o s t 。e f f e c t i v e f a b r i c a t i n g o fv a r i o u s i n t e g r a t e dp h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i c l a t t i c e s i nt h i st h e s i s ，f o u rm e t h o d st of o r ml a r g e a r e ao fp h o t o r e f r a c t i v e p h o t o n i c l a t t i c e si n i r o n d o p e d l i t h i u m n i o b a t e ( l i n b 0 3 ：f e ) c r y s t a l s ， i n c l u d i n go p t i c a l f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n m e t h o d ，s i n g l e b e a ms c a n ，t h e i m a g i n gm e t h o da n dt h em e t h o do fi n t e r f e r e n c ei n d u c t i o nt e c h n i q u ea r e i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi nd e t a i l ，t h em e t h o df o rm e a s u r i n gt h ei n d e x d i s t r i b u t i o n so fl i g h t - i n d u c e dp h o t o n i cl a t t i c e sb ye m p l o y i n gt h eo b s e r v a t i o n s y s t e m i s i n v e s t i g a t e d b o t h t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y , a n d p h o t o r e f r a c t i v e e f f e c ti ni n d i u m a n d i r o n d o p e d l i t h i u mn i o b a t e ( i n ：f e ：l i n b 0 3 ) c r y s t a l si n d u c e db yn e a ri n f r a r e dl i g h t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t so nf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fl a r g e a r e a p h o t o n i cl a t t i c e sa r ed e e p l yd i s c u s s e da n ds o m ev a l u a b l er e s u l t sa r eo b t a i n e d 内蒙古师范大学硕士学位论文 t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： i a c c o r d i n gt o t h es e to fe q u a t i o n sg o v e m i n gt h ep h o t o r e f r a c t i v e p r o c e s s ，p h o t o i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ei np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l si s t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d b a s e do nm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rs e t u p a n d l b a - p cm a k eu po ft h eo b s e r v a t i o ns y s t e m ，t h ep r i n c i p l ef o rm e a s u r i n g l i g h t i n d u c e di n d e xc h a n g e si np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l si si n v e s t i g a t e d a n d e m p l o y i n go b s e r v a t i o ns y s t e mf o rt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) v i s u a l i z a t i o n so f t h er e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o ni s p r o p o s e d a d d i t i o n a l l y , t h ea p p r o a c hi s u s e df o rm e a s u r i n gt h ei n d e xc h a n g e sd i s t r i b u t i o n si n d u c e db yc wl a s e ra t m i l l i w a t ti nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l ss u c c e s s f u l l y 2 t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l y i n v e s t i g a t e sf a b r i c a t i n gl a r g e - a r e ao fp h o t o r e - f r a c t i v ep h o t o n i cl a t t i c e si nc r y s t a l sb yv a r i o u ss t r u c t u r el i g h ti r r a d i a t i o n m e t h o d f a b r i c a t i o nm e t h o d so f1dl a r g e a r e ao fp h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i c l a t t i c e si nc r y s t a l se m p l o y i n gs t r u c t u r el i g h t sf o r m e db ys i n g l e s l i c e - b e a m s c a na n d s i n g l e m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra r e p r o p o s e d ，a n d t h e e x p e r i m e n t a ls e t u po ft h r e em a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r sf o rf a b r i c a t i o no f t h e ( 2 + 1 ) dl a r g e - a r e ao fp h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i cl a t t i c e sa n df o ro b s e r v i n g t h er e f r a c t i v e i n d e x m u l t i l a y e r , c r o s s e da n ds q u a r e l a t t i c e l a r g e a r e ao f p h o t o n i cl a t t i c e sa r ee x p e r i m e n t a l l yf o r m e di nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l s 3 w es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t el a r g e - a r e a1da n d ( 2 + i ) dp h o t o n i cl a t t i c e s i n l i n b 0 3 ：f ec r y s t a l s o fd i f f e r e n tt h i c k n e s s b y d i v e r s e l i g h t i n d u c e d t e c h n i q u e s t h ei n f l u e n c e so fp o l a r i z a t i o ns t a t e s ，i r r a d i a t i o nt i m e ，d o p i n g d e n s i t y , a n dt h i c k n e s so nf a b r i c a t i n gp h o t o n i cl a t t i c e sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e x m o d u l a t i o na r ea n a l y z e d t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so ff a b r i c a t i n gl a r g e a r e a a n ds h o r tp e r i o ds t r u c t u r ep h o t o n i cl a t t i c e sa r ep r e s e n t e d ，a n dt h eq u e s t i o n si n e x p e r i m e n t a t i o nn e e da t t e n t i v e l ya r en a r r a t e di nd e t a i l 4 f o rt h eo n e d i m e n s i o n a lc a s e so fp h o t o n i cl a t t i c e s ，r e l a t i o n sb e t w e e n t h ed u t yc y c l eo fh o l o g r a p ha n dt h er e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o na r eo b t a i n e d 5 p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti s e x p e r i m e n t a l l y f o r m e di ni n d i u m a n d 内蒙古师范大学硕士学位论文 i r o n - d o p e dl i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l si n d u c e db yl o w - p o w e rn e a ri n f r a r e dl i g h t i so b t a i n e d t h er e f r a c t i v ei n d e xc h a n g ei np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l si n d u c e d b yl o w - p o w e r n e a ri n f r a r e dl i g h ta r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n ds t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y , b ed i f f e rf r o mv i s i b l el i g h ti l l u m i n a t i n g t h ei n f l u e n c e so f p o l a r i z a t i o ns t a t e s ，i n t e n s i t yr a t i oa n di r r a d i a t i o nt i m ew i t ht h er e f r a c t i v e i n d e xc h a n g e sa r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y r e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e sa n d p h y s i c a lm e c h a n i s mo fp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti ni n ：f e ：l i n b 0 3i n d u c e db y l o w - p o w e r n e a ri n f r a r e dl i g h ti st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d k e y w o r d s ：p h o t o n i cl a t t i c e s ，l i g h t i r r a d i a t i o nm e t h o d ，i r o n - d o p e d l i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l s ，r e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o n ， n e a ri n f r a r e dl i g h t 独创性声明 本人声明所望交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外i 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名：日期：炒g 年月2 , 0 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位 论文的规定：内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 。 签名：降弼1导师签名：卉为场 。 日期：。殳年6 月z 刀日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 对新材料的探索一直是人类的奋斗目标和进步手段。2 0 世纪中期开始的以半导 体为代表的电子带隙材料的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。我们的科 技和生活水平有了一个突飞猛进的跨越，并藉此进入了计算机和信息高速公路为标志 的信息时代。但是随着科技的飞速进步，让人们曾经欢欣鼓舞的半导体器件己经不能 满足社会发展的需要。主要原因有两个，首先，由于电子带电荷，相互之间存在库伦 作用力，互相干扰，严重影响传输速度；会产生热效应、磁效应，集成度过高时电路 中的电阻增大，将会产生更大的热效应，造成了电能的大量浪费；其次，基于己有的 技术和概念，“电子”载体的功能受到“瓶颈”效应的限制，己经到了它的极限。 信息业的梦想之一，是由光子替代电子传递信息。这是因为光子有着电子所没有 的优势：光子在介电材料中传播比电子在金属中传播要快得多，具有高于电子几个数 量级的传播速度，不仅可以大幅度提高集成度，还可以提高信息的传递速率；光子可 以携带更多的信息且彼此间不存在电子之间的强相互作用，非常有利于减少能量损 失。因此，利用光子作为信息和能量的载体，将把信息高科技推向超高速度、超大容 量的宽带范畴，成为信息化社会中不可替代的佼佼者。我们虽然已经朝这个方向迈出 了可喜的一步光纤的使用，但是信息输入到光纤前和输出光纤后依靠的仍然是传 统的电子器件，这大大限制了传输效率。人们设想也能像集成电路一样制造出集成光 路、光子器件，光子在其中起着电子在半导体中的作用，光子晶体和光折变光子晶格 的产生使这种梦想成为了可能。它们被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半 导体”，是未来信息技术的核心。光子晶格的研究已经引起了国内外众多知名科研机 构的广泛关注，将对光通讯、微波通讯、光电子集成以及国防科技等领域产生重大影 响。可以以预见，光子品格技术的发展终将导致光学、光电子学、信息科学革命性的 变革。 1 2 光折变光子晶格简介 1 2 1 光折变光子晶格的概念 e y 曲l o n o v i t c h 【1 】和s j o h n 2 】两人于1 9 8 7 年分别在讨论周期性电介质结构对材料中 光传播行为的影响时，各自独立提出了光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 的概念。它是一种 介电常数( 或者说折射率) 在空间呈周期性变化的材料，它是一种新型的光学微结构材 内蒙古师范大学硕士学位论文 料。光子晶体的出现使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的微型化与集成化成为 可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命。 光子晶体的制作工艺较复杂。1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t e h 用机械钻孔【3 】的方法成功的 制成了第一块微波波段具有一完全禁带的光子晶格，随后许多半导体精细加工技术 ( 图1 1 所示) ，如电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、激光光刻，以及化学气相沉积等被应 用于制作光子晶格上来，其中最具代表性的就是逐层叠加法【4 】 【5 1 ，如图1 2 所示。除此 之外还包括胶体自组织法【6 l 【刀，反蛋白石结构法【8 】( 图1 3 所示) 、畴反转法、飞秒激 光法等。这些制作工艺的制作周期长、造价高、面积小、晶格周期较大，仍仅适用于 实验室研究所用。 图1 1 精细加：t ：技术制作三维光子品体示意酬3 】 图l 一2 逐层叠加法制作光子品体示意图 图1 3 反蛋白f i 结构法制作的光子品体示意图 光子晶体的折射率对比度要求较人。光予晶体由两种或两种以上具有不同折射率 第一章绪论 的介质材料周期性排列而成，其折射率对比度要求大于2 6 ，且人工控制晶格周期为 微米量级范围十分困难。因此，光子晶体的制作就变得很困难。由于光子晶体的制作 难度大大限制了它的研究和应用范围，于是人们开始考虑制作光折变光子晶格 ( p h o t o n i cl a t t i c e s ) 。 光折变光子品格是利用光折变介质的非线性光学效应，通过光辐照的方法在光折 变晶体中感应出折射率呈周期性变化的光子品格，制作工艺比较简单。制作过程可以 在极低的光功率下进行，( 例如功率为m w 、g m 量级) ，这一点很容易实现，大大降低 - ；n 作的难度。制作的光子晶格具有较长的暗存储时间，且晶体本身可循环使用。因 此，光折变光子晶格具有很高的研究价值和广阔的应用前景。 光子品格的最大特点是存在光子带隙，可能出现在一个方向、两个方向和三个方 上或多个方向上。按介电常数的周期性变化及其出现的空间维度，光子晶格可以分为 一维( 平面) 、二维( 2 + 1 维) 、三维( 立方) 光子晶格，典型的光子晶格空间结构如图1 4 所示。 一维光子晶格如图1 4 ( a ) 所示，是两种介电常数的介质呈多层周期分布的结构。 ( 2 + 1 ) 维光子晶格如图1 4 ( b ) 所示，一般为介电常数乞的介质柱在介电常数乞的介质 中呈二维周期排列。三维光子品格是最容易实现完全光子禁带的结构，它的介电常数 在三维方向呈周期性排列，如图1 - 4 ( c ) 所示。 佃向舒 ( 8 ) 一雏【乎匾】 ( b ) ：维【( 2 + 1 ) 维】 ( c ) 兰维f 立方】 图1 _ 4 光折变光子品格空间结构示意图 1 2 2 光折变光子晶格的特性 光折变光子品格存在导光作用、光控制光作用、光子带隙、光波的相互耦合等许 多非线性现象。图1 - 5 q - j ，( a ) 表示一维光折变光子晶格，图( b ) 表示( 2 + 1 ) 维光折变光子 晶格，图( c ) 、( d ) 为网状结构光折变光子晶格。本论文主要是通过光辐照方法来实现( a ) 、 ( b ) 类型光子品格的制作。 内蒙古师范大学硕士学位论文 圈鬻 缫獭獭嗍嗍嘲删嘘q 幺9 z 穰西6 黝嘲獭搠嗍删叛国留9 父譬脯 豳黼 ( b )( c ) 图1 5 光折变光子晶格剖面图 光折变光子晶格有序的周期性长度是与其相关的光波长的数量级相近的。光波在 光子晶格中传播时会出现许多在连续、均匀的体介质内从未见到过的反常现象。其中 包括光波在线性分立系统中传播时的反常折射【1 1 】，【1 2 1 、分立衍射【1 3 1 ，【1 4 】及光波在非线性 分立系统中传播时的自局域态分立孤子【1 7 1 等。 光折变光子晶格最根本的特性是具有光子禁带【1 8 h 2 。光子禁带是指在一定频率 范围内的光子，在光子晶格内某些方向上是被严格禁止传播的。它有完全禁带与不完 全禁带之分。所谓完全禁带，是指光在整个空间的所有传播方向上都有禁带，且每个方 向上的禁带能相互重叠；不完全禁带，相应于空间各个方向上的禁带并不完全重叠， 或只在特定的方向上有禁带。光子禁带使光子晶格可以很好地抑制自发辐射。 光折变光子晶格的另一特性是光子局域，它是与光子晶格中的缺陷能级紧密相连 的。可以在光子晶格中引入杂质和缺陷【2 2 1 ，在光子禁带中产生相应的缺陷能级。和缺 陷能级频率吻合的光子被限制在缺陷位置，这样在光子晶格的禁带中央出现带宽极窄 的缺陷态。光子晶格有点缺陷和线缺陷两种缺陷。在垂直于线缺陷的平面上，光被局 域在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播。点缺陷仿佛是被全反射墙完全包起来。利 用点缺陷可以将光“俘获”在某一个特定的位置，光将无法从任何一个方向向外传播， 这相当于微腔。 1 2 3 光折变光子晶格的应用 由光子晶格的能带结构分析可知，光折变光子品格中存在着光子能隙，正是由于 这种光子能隙的出现，能产生许多新奇的物理现象，光子晶格带来了广阔的应用前景。 利用光子晶格具有光子禁带这一基本性质，可以将光子晶格作为天线的基底，把 光子晶格设计成能使天线发射的电磁波的频率位于其光子能隙中，这样光子品格能反 射天线发射的微波，不吸收电磁波的能量，可以大大提高了平面微波天线的发射效率， 从而做成极低损耗的微波天线以及光子品格全反射镜【2 3 】；利用光子能隙对原子自发辐 射的抑制作用，可以大大降低自发跃迁而导致复合的几率，从而降低激光器的截止电 流和闽值，可制成低阈值的光子品格激光器和高性能的光子品格激光：一：极管【2 4 】；通过 4 缝麓囊瑟嚣慧苏彰虢霉要凌黟馨覆凌錾魏彰澎蘩髫缀覆彩参戳戮簪配甏豁荔黔豁氍彩驴落 第一章绪论 在光子晶体中引入缺陷，使得光子禁带中产生频率极窄的缺陷，一旦其偏离缺陷处光 就将迅速衰减，这样可以制造高性能的光子晶格光过滤器【2 5 】：如果引入的缺陷是点缺 陷，利用点缺陷可将光“俘获”在某一个特定的位置，光就无法从任何一个方向向外传 播，就可制成高品质因子的光子晶格谐振腔【2 6 】；利用光子能隙与偏振方向有关，可设 计出二维光子品格偏振片，从而制成大频率范围的光子晶格偏振器【27 1 。此外，强分光 能力的光子晶格超棱镜【2 8 】 【2 9 l 、分光器【3 0 1 、光开关f 3 1 h 3 4 1 、光放大器、光子晶格光纤 【3 5 】- 【3 7 1 、等也被提出并研究。因此，光子晶格极有可能取代大多数传统的光学器件， 这些产品将在许多高科技领域中有着十分重要的应用。 光子晶格自诞生以来，引起了学术界的广泛重视，是目前光子学的一个非常热门 的研究领域，形成了包括物理学、材料学、细微加工等多学科交叉的研究热点，随着 对光子晶格特性的进一步研究，光子晶格将有一更加广阔的应用前景。预期光子晶格 将对光通信、构造新型微腔激光器、控制光的传播路径、光学防护以及信息处理等诸 多方面的发展带来重大影响。 1 3 光折变光子晶格的制作方法 当前，大面积光折变光子晶格在光通信、光学互连、光计算、神经网络和集成光 学中扮演重要角色。在晶体内构造大面积光折变光子晶格，用传统的实验方法和技术 难以实现，在光折变材料中，用光辐照法【3 8 】。【5 4 】在光折变晶体中可以实现光折变光子 晶格的制作。 光辐照法是指利用光场辐照光敏材料( 如光折变介质【4 2 1 、液剐4 1 1 ) ，通过光折变效 应在介质内制作与结构光场相一致的折射率周期变化的光折变光子晶格。光辐照法制 作光予晶格对实验仪器的条件要求较低，实验装置比较简单，仅通过低强度激光产生 不同结构的光场辐照光折变晶体，就可以在晶体中制作各种不同类型的光折变光子晶 格。与传统的制作光子晶格的方法相比较，具有实时、简便、低成本、快速等优点， 而且可在在晶体内部构造不同面积、不同品格周期、不同缺陷的光子晶格。光辐照法 集诸多优点于一身成为目前制作光折变光子晶格最常用的实验方法之一。 近些年来人们采用不同的物理效应( 光折变效应、空间孤子等) 以及不同的辐照方 式对光折变光子晶格的制作方法进行了大量的研究【3 8 】，【4 2 1 ，并取得了很大的近展。但 是，光子晶格的应用大多仍处于理论研究和实验阶段，真正做到产业化的很少，主要 原因在于制作的光子晶格面积小、周期较大、折射率对比度较低，大大限制了其应用 范围。因此为满足产业化的需要，制作出大面积、小周期折射率对比度大的高性能光 内蒙古师范大学硕士学位论文 折变光子晶格成为光子晶格研究领域的热点之一。 本文在结合以往的光辐照法的同时并进行了改进，组建了新的制作装置，包括傅 立叶变换法、单光束扫描法、掩模成像法和干涉法，下面简要介绍一下。 1 3 1 傅立叶变换法 利用振幅掩模得到几个点光源，通过傅立叶变换透镜在其傅立叶空间频谱顽上可 以得到不同点阵结构的光强分布图样，结构光场辐照在光折变晶体上可以引起晶体的 折射率发生相应变化，从而制作出光折变光子晶格。2 0 0 2 年，杨立森等人【5 3 1 利用这 种方法，利用四孔振幅掩模通过适当选择掩模的孔间距与孔直径，并控制曝光时间， 成功地制作了周期为6 p m x 6 1 a m 的3 0 0 多条并行分立的光折变波导阵列，并获得了较 高的对比度。 以四孔振幅掩模为例，准直平行光辐照振幅掩模后，四个孔透过的光可视为四个 点光源，四个点光源的空间分布如图1 6 所示，在物平面( x ，y ) 上其电场分布为 图1 6 物平面振幅掩模四个孔的空间分布 u ( 勘少) = j ( y ) p ( x 一厄) + 万( x + 厄) 。 + 万( 石) i 万( y 一厄) + 万( y + 2 口r - - j j 7 则在傅立叶变换频谱面上，它们的电场分布为 u ( x ，y ) = ， u ( 而y ) = 2 c o s a + c o s 】 ( 1 2 ) 其中口砌厄砉，砌也芳。在傅立叶平面上的光强分布为： f l u ( x , y ) 1 2 = 2 【2 + c 。s 2 a + c 。s 2 + 4 c 。s 口c o s p l ( 1 3 ) 6 第一章绪论 忽略交叉项，则x 7 、方向的波导周期为： 人：丝：兰垒 k 2 2 a ( 1 4 ) 上式中k 为波导层波矢，厂为傅立叶变换透镜焦距，如果将阵列波导看成二维体相位 栅，则由b r a g g 条件： 2 n 人s i n 0 = 允( 1 5 ) 上式中口为介质中相互作用的两束光之间夹角，名为真空中的波长，l 为介质的折射 率，如图1 7 所示，则空气中两束相互作用的光束夹角秒为： 由此可得： 卜一，一 图1 - 7b r a g g 条件同光栅间隔关系 人：l ：兰垒 2 n s i n 目 2 x 2 a ( 1 6 ) ( 1 7 ) 显然式( 1 7 ) 与式( 1 4 ) 完全一致。在光折变介质中，通过傅立叶变换法在空问频谱面上 得到的不同点阵结构分布的光场，将其辐照在光折变介质上，通过光折变效应在辐照 区引起正比于空间电荷场的折射率变化a n ，折射率的周期性变化就形成了体相位栅， 证明了用光学傅立叶变换法可以写入二维体相位栅，这些体相位栅实际上就构成了 ( 2 + 1 ) 维的光折变光子晶格。 利用光学傅立叶变换法制作光子品格的实验装置如图1 8 所示。来自y a g 倍频激 7 秒nn = 秒n 堕厂 = 秒毛言 口 t 砸 内蒙古师范大学硕士学位论文 光器的波长为5 3 2 n m 的偏振光经空间滤波器f 滤波、扩束并准直后，通过具有四个对 称排列圆孔的振幅掩模，得到四个点光源，它们经过傅立叶透镜厶后聚焦在位于该透 镜焦平面处的l i n b 0 3 ：f e 晶体的前表面上，晶体后表面的光强分布由透镜厶成象在 c c d 上，c c d 输出经p c 处理后，便可在屏幕上直接观察到晶体后表面的光强分布。 在读出时挡住写入光，由h e - n e 激光器出射的激光束通过b s 照至l j l i n b 0 3 ：f e 晶体中写 入波导的区域，通过波导的导向到达晶体的后表面，同样由透镜厶成象在c c d 上， 因而在任意时刻均可以读出晶体中写入的光子晶格。图中f 为空间滤波器，m 为振幅 掩模，厶为变换透镜，b s 为分束器，c 为l i n b 0 3 ：f e 晶体，厶为成象透镜。 图1 8傅立叶变换法制作与读出光折变光子品格的实验装置1 5 3 1 在此实验装置基础上进行改进，通过改变振幅掩模的孔径、孔间距，改变傅立叶 变换透镜的焦距，可以提高了制作光子晶格的质量和晶格面积；通过改变振幅掩模的 孔数，可以得到新型的光折变光子晶格。 1 3 2 单光束扫描法 图1 - 9 为单光束扫描法制作光折变光子晶格的实验装置示意图。单光束辐照在光 折变晶体上，由于光折变效应，光辐照区域晶体的折射率发生变化，沿着某个方向进 行多次扫描后，晶体的折射率会发生周期性变化，进而形成一维光子晶格。实验条件 加以改变就会得到不同结构、不同对比度的光子晶格。图1 - 9 中，厶为透镜，以往文 献【1 1 5 】报道通常采用会聚透镜得到圆形会聚光束，将光折变晶体固定在可旋转三维精 密支架上，实验装置保持不动，通过调节支架移动晶体，合理控制单光束扫描晶体时 的移动间距( 曝光问距) ，可以得到不同品格周期的光子品格。 第一章绪论 r 正兰蛩二 。i 挚r r o i 擘罴_ 凼l i n b 0 ，3 ； 通过改变单光束形状，本文利用柱透镜得到片状光束，来制作不同形状的光子晶 格。该实验方法最吸引人的地方在于它的灵活性，根据集成光路的需要，可以在材料 的三维空间中制作出不同需求结构的光子晶格。 1 3 3 成像法 成像法制作光子晶格是指在均匀的平面辐照光中插入成像掩模( 振幅图或透明胶 片) ，振幅掩模透过的光强分布与振幅掩模的空间分布相对应，得到不同光强分布的 结构光场，由此可以通过成像掩模在光折变晶体中感应出光子晶格。 实验装置类似于图1 - 8 所示，将振幅掩模变为成像掩模，并对晶体位置进行局部 调整，移动到频谱平面的前方，利用透镜将掩模直接成像在晶体前表面，可以变为成 像法制作光子晶格的实验装置。由于成像掩模制作方便、灵活多变，使其成为目前公 认最佳的实验方法之一。j w f l e i s e h e r 等人在光折变s b n 晶体里用光感应成像法制作 了一维和二维相干光光子晶格【3 8 】。陈志刚等人用成像法制作了由部分非相干亮屏蔽孤 子感应的光子品格【5 5 】。 通过提高掩模的透过率，增大亮斑与暗斑的对比度，可以提高制作光子晶格折射 率的对比度，尤其是可以制作带有不同缺陷的成像掩模，来制作带缺陷的光子晶格。 1 3 4 干涉法 当双束光或四束光在晶体中相干，形成的一维和( 2 + 1 ) 维体相位栅时，由于光折 变效应，如果为自散焦介质( l i n b 0 3 晶体) 则亮区的折射率会降低( 甩 0 ) ，整个相干 区域折射率会发生周期性变化。因此，这种一维和( 2 + 1 ) 维的光生伏打光折变体相位 栅，实质上就构成了一维和( 2 + 1 ) 维的光折变光予品格。 利用双光束相干可以制作一维光子品格，通常采用细双光束直接干涉，实验装置 如图1 1 0 所示，图中b s 为分束器，m 为反射镜，l n 为l i n b 0 3 ：f e 晶体，l 为成像 透镜，由激光器发出的偏振光经分光镜后分为两束光，双光束相交于光折变晶体 ( l i n b 0 3 ：f e ) 前表面，那么两束光相干形成的干涉条纹辐照在晶体上，经过一定的辐照 9 内蒙古师范大学硕士学位论文 时间，可以在晶体中形成一维光子晶格。这种方法制作的晶格面积较小。 l n c c d 图1 1 0 细双光束干涉法制作一维光折变光子晶格的实验装置 通过双棱镜干涉，产生的光场面积会增加数倍，因此得到的光子晶格面积会随之 增大。本文提出了利用单马赫一曾德干涉装置产生的宽光束干涉，来制作一维大面积 光折变光子晶格，这样就大大增加了干涉光场的面积，而且通过调整光束的宽度来任 意调整辐照光场面积的大小，实验装置简图如图1 1 1 ( a ) 所示，图1 - 1 1 ( 1 3 ) 为辐照光场 的空间分布图。 固 ( b ) 光场空间分布 图1 11 宽双光束干涉装置及十涉光场空问分布图 在此基础j ：，提出了二马赫曾德干涉装置，可以用来制作和读出( 2 + 1 ) 维大面积 光折变光子品格。 l o 第一章绪论 利用光折变效应制作光子晶格时辐照光可以在胛或m w 量级的功率下进行，通 过辐照光场的空间分布得到介质中折射率的空间分布，从而制作出波导、光折变光子 晶格乃至整个集成光路，达到导向光和产生非线性效应的目的。通过对几种光辐照法 实验装置的改进，可以提高了制作光子晶格的质量、晶格面积以及折射率对比度。 1 4 光折变光子晶格的研究进展 光折变光子品格的制备及其光学特性研究一直是光子晶格的关键课题。目前，研 究的热点主要集中在解决以下问题：新型光子晶格的研制与开发：增大光子晶格的面 积，进一步缩小晶格周期；能够在光子晶格的任意位置引入任意的缺陷态；进一步提 高折射率对比度；光子晶格的光学特性研究等。光辐照法首当其冲，以其独特的优点 成为目前制作和研究光子晶格最常用的实验方法，受到人们的青睐。 1 1 1 2 0 世纪8 0 年代，人们意识到激光束在某些光学材料中导致的折射率变化可以被 用来制作高质量的光子晶格以来，国内外科学家对这方面作了大量的实验研究。人们 相继开展了在光敏聚合物【5 6 1 4 6 2 、玻璃1 6 3 f i 明以及光折变晶体等材料中利用光辐照法来 制作各种光子晶格的技术，并日臻完善。 近年来，人们在各种光折变晶体( l i y b 0 3 ，s b n ，k n b 0 3 等) 中采用光辐照法制作光 折变光子晶格的技术进行了大量的研究，并取得了很大的进展【3 8 】【5 5 1 。其中最具代表 性的包括t1 9 9 6 年，o m a t o b a 等首次提出了利用四束平面波形成的无衍射干涉场辐 照l i n b