（光学专业论文）缺陷态光折变光子晶格的制作.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 光子晶格是介电结构在空间尺度上的周期性光学微结构，它的周期 是光波长数量级的，其主要的特性是存在光子带隙。但具有完整周期性 的光子晶格不能有效控制光子在其中的传播行为，只有带有缺陷的光子 晶格才可以更有效地控制在其中传播的光子的行为。对于各种缺陷态光 子晶格的制作方法成为光子器件发展的主要瓶颈。近年来，由于光辐照 技术的快速发展，用光感应方法制作各种形态的光子晶格成为可能，其 中利用光折变效应制作光折变光子晶格被认为是目前研究光子晶格的最 佳的实验方法，它具有实时、快速、材料可循环使用、缺陷和晶格可同 时植入等优点。缺陷的植入给光子晶格的应用带来了无限生机。带有缺 陷的光子晶格具有导光和操控光的能力，当信号光的缺陷模落在晶格带 隙内时，信号光将被局域在缺陷位置或沿缺陷传播。因此，研究构造缺 陷态光折变光子晶格及其带结构对光子晶格的应用和发展具有十分重要 的意义。 本论文主要是：利用片光法和交叉相位法在铌酸锂晶体中制作了带有 线状缺陷和点状缺陷的二维光折变光子晶格，从实验和理论的角度分析 和研究了缺陷态光折变光子晶格中操控光的实验形成条件和理论形成原 因；实验上观察了近红外光光折变的现象，并在理论上对红外光折变机 理进行研究和分析。所完成的主要工作如下： 1 片光法构造缺陷态光子晶格：利用此方法成功的在掺铁铌酸锂晶 体中制作了微米量级的线缺陷光折变光子晶格。此方法的优点是装置简 单，容易调节，只需旋转圆柱透镜，就可以制作出和光轴方向不同的各 种线状缺陷光子晶格。缺点是经圆柱透镜形成的片光具有发散性，不能 制作小数量级的缺陷，并且实验中只能使用薄晶体。在理论上对四孔掩 膜和圆柱透镜进行数学分析，模拟出了带有线状缺陷的光子晶格。 2 交叉相位法构造点状缺陷态光子晶格：在交叉相位法的基础上， 改变缺陷掩膜，将两束写入光叠加到晶体的同一个点上，在晶体中成功 地写入了带有点状缺陷的二维光折变光子晶格。此方法的优点是缺陷光 是不发散的，只需变换掩膜就可以得到不同类型的光子晶格，缺点是装 置复杂，不易调节。分析了不同实验条件对点线缺陷光子晶格对光波的 操控能力影响。通过数学推导，在理论上模拟了掩膜的空间光强分布， 发现实验和理论符合的很好。 3 近红外光折变的机理研究：在实验中利用近红外弱光聚焦后辐照 在掺铟铁铌酸锂晶体中，观察到了晶体的光折变效应，并进一步分析和 研究得出：掺铟铁铌酸锂晶体的红外光折变效应是由倍频光激发的，全 新的解释了这种现象形成的机理，通过实验和理论模拟了晶体折射率的 变化。 关键词：光子晶格，缺陷，片光法，交叉相位法，局域，近红外光 内蒙古师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t p h o t o n i cl a t t i c e sa r e ak i n do fm i n u t e n e s so p t i c sd i e l e c t r i cs t r u c t u r e w h i c hi t ss p a c em e a s u r ei so nt h el e v e lo ft h ew a v e l e n g t ho fl i g h t w a v e t h e m o s tr e m a r k a b l ec h a r a c t e ro ft h ep h o t o n i cl a t t i c e si st h a ti tp o s s e s s e st h e p h o t o n i cg a p ，b u tac o m p l e t ep e r i o d i cp h o t o n i cl a t t i c e sc a nn o tc h a n g e p h o t o n i ca c t i o nw h e nt h el i g h t w a v et r a n s m i tt h r o u g hi t ，o n l yt h ep h o t o n i c l a t t i c e sw i t hd e f e c tc a nd oi t t h a tt h ep r o d u c t i o nm e t h o d so f p h o t o n i cl a t t i c e s w i t hd e f e c tb e c o m et h em a j o rb o t t l e n e c k r e c e n t l y , t h el i g h t i r r a d i a t i o n m e t h o d sh a v eag r e a td e v e l o p m e n t ，a n dm a k e sc o n v e n i e n tf a b r i c a t ev 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 tw a sd e e m e dao p t i m a l t e c h n o l o g yw i t hp 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 s ，t h i sm e t h o d sh a v em a n y a d v a n t a g e so fr e a lt i m e ，h i g h - s p e e d ，m a t e r i a l sc a nb er e c y c l e da n dt h el a t t i c e s a n dt h ed e f e c tc a ni m p l a n t e da tt h es a m et i m e t h ed e f e c tw a se m b e d d e di n t o i n t e g r i t yp h o t o n i cl a t t i c e s ，w h i c hi tc a nb r i n gm a n yp r o g r e s s e st oi t p h o t o n i c l a a i c e sw i t h i nd e f e c th o l dt h ec a p a b i l i t yo fc o n t r o lt h el i g h ta n do b t a i nt h e g r e a tp r o g r e s s w h e nt h ef r e q u e n c i e so ft e s t i n gl i g h tw e r ee q u a lw i t ht h e p h o t o n i cg a pw i t hd e f e c tm o d e lt h a ti tc a nb el o c a l i z e da n dt r a n s m i ta l o n gi t t h e r e b y , i th a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h ep h o t o n i cl a t t i c e s i nt h i st h e s i s ，w eu s e s h e e t l i g h tm e t h o da n dc r o s sp h a s em e t h o d f a b r i c a t i n g t w o d i m e n s i o n a l p 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 w i t h i n l i n e a r - d e f e c ta n dp o i n t d e f e c t i ne x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i cw ea n a l y s i sa n d r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fc o n t r o l l i n gl i g h t f u r t h e r m o r ew ed i s c u s st h e e x p e r i m e n t c o n d i t i o na n dt h ei n f l u e n c eo ff a b r i c a t e t h ed e f e c ti n t w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i cl a t t i c e i ne x p e r i m e n t ，w eo b s e r v et h ep h e n o m e n o n o fi n f r a r e dl i g h tp h o t o r e f r a c t i v ei nl n c r y s t a l s ，i nt h e o r e t i c a lw ea n a l y s i st h e m e c h a n i s ma b o u tp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti n d u c eb yn e a ri n f r a r e dl i g h ti nl n c r y s t a l s t h em a i nw o r k sa sf o l l o w s ： 1 w ef a b r i cd e f e c t e dp h o t o n i c1 a t t i c e sw i t hs h e e t 1 i g h tm e t h o d ：b yt h i s m e t h o dw ef a b r i ct w o - d i m e n s i o n a l p h o t o r e f r a c t i v ep h o t o n i c w i t h l i n e a r - d e f e c tw h i c hi st h el e v e lo fm i c r o n t h ea d v a n t a g ei st h a ts i m p l ed e v i c e ， e a s ya d j u s t m e n ta n do n l yr e v o l v i n gt h ec o l u m nl e n st h a tc a nf a b r i cv a r i o u s l i n e a r - d e f e c ti np h o t o n i cl a t t i c e s ，t h e yh a v ed i f f e r e n to r i e n t a t i o nr e l a t i v et o c - a x i s t h ed i s a d v a n t a g eo fs h e e t - l i g h ti sd i v e r g e n ta n dc a nn o tm a k em o r e s m a l ld e f e c t s ，a n dc a no n l yu s et h i nc r y s t a li ne x p e r i m e n t i nt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，w e s i m u l a t ef o u r - h o l em a s ka n dc o l u m n l e n s ，g a i n e d t h e l i n e a r - d e f e c tp h o t o n i cl a t t i c e sf i n a l l y 2 f a b f i ep o i n t - d e f e c tp h o t o n i cl a t t i c e sw i t hc r o s sp h a s em e t h o d ：i nt h e b a s eo fc r o s sp h a s em e t h o d ，c h a n g ed e f e c tm a s km a k et h ef o c u so ft w ow r i t e l i g h to no n ep o i n ti nc r y s t a l ，w ef a b r i ct w o - d i m e n s i o n a lp h o t o r e f r a c t i v e p h o t o n i cw i t h i np o i n t - d e f e c ts u c c e s s f u l l y t h ea d v a n t a g e sa r et h a td e f e c t s 1 i g h ta r en o td i v e r g e n ta n dj u s tt r a n s f o r m i n gm a s kc a l lf a b r i c a t ed i f f e r e n t t y p e so fp h o t o n i cl a t t i c e t h ed i s a d v a n t a g e sa r ec o m p l e x i t yo fd e v i c e ，n o t e a s yt oa d j u s t a n a l y z et h ed i f f e r e n tc o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n t ，a n df i n do u t t h eo p t i m a lc o n d i t i o nt of a b r i cp o i n t d e f e c tp h o t o n i cl a t t i c e s i nt h e o r y , w e s i m u l a t et h em a s kt h r o u g hm a t h e m a t i c st o o l s ；f o u n dt h a tt h et h e o r e t i ca c c o r d w i t he x p e r i m e n tv e r yw e l l 3 m e c h a n i s mr e s e a r c ha b o u tp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti n d u c e sb yn e a r i n f r a r e d l i g h t ：i ne x p e r i m e n t ，u s e st h ef o c u sn e a ri n f r a r e dl i g h ta r o u s e p h o t o r e f r a c t i v e e f f e c ti nl n c r y s t a l w i t hi n d i u m p r o v et h a t t h e p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t i nl nc r y s t a l sw a si n d u c i n gb yl a s e rf r e q u e n c y m u l t i p l e ，e x p l a i nt h em e c h a n i s mo v e ra g a i n a c c o r d i n ge x p e r i m e n ta n d t h e o r e t i cw es i m u l a t et h ec h a n g eo fr e f r a c t i v ei n d e xi nc r y s t a l k e yw o r d s ：p h o t o n i cl a t t i c e s ，d e f e c t ，s h e e t l i g h tm e t h o d ，c r o s sp h a s e m e t h o d ，l o c a l i z e ，i n f r a r e dl i g h t 独创性声明 本人声明所呈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，论文中不包含其他人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：型立盔亟日期：z 6 j | 口年月弓日 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。 张喇婚导师张帕罐 日期：坳年6 月弓日 第一章引言 1 1 光子晶体 第一章引言 光子晶体是一种折射率在空间周期性变化的新型光学微结构材料。其概念最初是 e y a b l o n o a t e l l 和sj o h n 于1 9 8 7 年各自独立提出的i l q 。光予晶体被视为电子晶体在 光学领域内的对应物，如同电子晶体势垒的周期性引起能量禁带一样，光子晶体折射 率的周期性变化也会引起某些频率的光不能够在其中传播。 根据介质周期性的空闻取向，可以将光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体。 一维光子晶格如图1 - 1 ( 口) 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i - l ( 鲫听示，一般为介电常数乞的介质柱在介电常数矗的介质中呈二 维周期排列。三维光子晶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 - l ( c ) 所示。 何俪衙 一【平卿- - 1 1 ( z + 1 ) i i 】c ，- = i t 【立方】 图1 1 光子晶体空间结构示意圈 从晶体结构中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序捧列的。正是这种周 期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构带 与带之间可能存在能隙，电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。在半导体 中，离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流予在半导体中运动。相 似的，在光子晶体中是由晶体折射率的周期性变化产生了光干能带结构，从而由光子 能带结构控制若光在光子晶体中的传播行为。光子晶体最根本的特征是具有光予禁 带。光子禁带是指在一定频率范围内的光在光子晶体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，是相应于空问各个 方向上的禁带并不完全重叠，或h 在特定的方向e 有禁带。 内蒙古师范大学硕士学位论文 到目前为止，对光子晶体在理论和实验方面的研究都已取得了许多重大进展 t 4 - t s 利用它可以制造出光通信中所用到的各种器件；光子晶体光纤、光子晶体激 光二极管和低阈值激光器、微谐振腔、高效率低损耗反射镜、宽带带阻滤波器和极窄 带选频滤波器、高发射率小型微波天线、非线性光子晶体、集成光路等【6 2 】。如此广阔 的应用前景使得光子晶体成为当今世界范围的一个研究热点，得到了迅速的发展。 1 2 光子晶体的制作方法 1 21 传统的制作方法 大自然已经在闲亮的宝石中制造了光子禁带，而且在蝴蝶多彩的翅膀中，有一种 被称作海鼠的虫状生物的毛发 2 0 3 ，也有光子禁带结构。但是，这些都不是完全禁带， 自然中没有天然的完全禁带。在实验室和实际应用中，光予晶体都是人为加工得到的。 目前光子晶体大多用无机材料制作，主要是人为构造的周期性结构，多数由两种介电 常数不同的物质构成，其中低介电物质常采用空气，因此相应于半导体的价带和导带， 在光子晶体中存在介电带和空气带。下面将对这些制作方法作简要介绍： 机械精密加工法唧l 微波波段的光子晶体由于其晶格周期在厘米至毫米量级，制 作起来比较容易，用机械方法就可以实现。最初的二维和三维光子晶体，就是用机械 方法做出来的。制造更短的亚毫米和远红外波段的光子晶体，需要采用激光刻蚀、电 子束刻蚀、反应离子柬刻蚀、逐层刻蚀、外延生长法等先进半导体技术1 2 4 】。由于是以 半导体工业成熟的技术为基础，精密加工法是制备光子晶体最为稳定可靠的方法。其 缺点在于工艺复杂、造价昂贵：并且受现有半导体技术水平的限制，这种方法在制各 更小波长尺度的三维光子晶体、晶体掺杂以及缺陷引入等方面面临着很大的挑战。 渤 ，在裂獬 哆颡附 l 芏i 】2 精细加r 【= 技术制作= 维光予晶体示意圈 反蛋白石法l ”1 蛋白石的结构为可见光波段的_ 氧化硅小球的最紧密堆密i 或者 面心立方点眸。反蛋f 1 石结构就是指空气小球或其他低电容率小球毗密堆积排列在高 第一章引言 电容率的连续介质中，制备的方法是在具有蛋白石结构的模板缝隙中填充高折射率介 质然后用腐蚀、煅烧的办祛去掉原来的模板材料，成为光子晶体。用这种方法已经 甫 备出了可见光波段和近红外波段的光子晶体。 图i - 3 反蛋白石法制作的光子晶体示意图 胶体光子晶体脚l 在胶体溶液中放入基片，胶体颗粒和基片带不同的电荷，有一 定浓度和电荷密度的胶体颗粒在静电作用下自组织成有序结构并吸附到基片表面，形 成胶体晶体。由于胶体颗粒的尺寸在微米量级以下，因此可以用之制备近红外和可见 光波段的光子晶体。但是其光子带隙一般出现在某些特定的方向不能称之为真正的 光予晶体。但由于化学成分的粮制，胶体光子晶体的光子能带比较窄。 其它方法：如畴反转法、飞秒激光法等 2 0 1 。 虽然可以用多神方法制作线性光子晶体，但人工方法制作光子晶体还存在以下的 困难：首先，光子晶体要求结构单元是有序排列的，并符台某种对称性；其次光子 晶格要求折射率在空间周期性变化，且周期为光波长量级。于是光子晶体的制作就变 得很困难。比如工作在可见光波段的光子晶体，其周期为微米最级，人工控制该量级 的单元进行周期性排列是十分困难的，另外还要求两种介质的折射率之差大于2 0 。 由于线性光子晶体制作上的圃难限制了光子晶体的研究，于是人们开始考虑制作非线 性光子晶格。 122 光感应法制作光折变光子晶格 光感应法即在光敏介质【”里感应出非线性光子品格。和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、可在在晶体内部构造、并且可在低入射 功率下写入，具有较k 的略存储时丑j ，晶体还可循环使用等优点。基于以上的优点， 内蒙古师范大学硕士学位论文 光感应法知制作光折变光子晶格已经成为近些年科研工作者们争先研究的热点，它具 有很高的研究价值和广阔的应用前景。2 0 0 2 年j w f l e i c h e r 等人利用介质的非线性光学 效应在光折变s b n 晶体里用光感应法制作了一维和二维相干光光子晶格f 2 l 】。由于存在 光子带隙，可以用来制作不同方向对应不同频率的窄带滤波器等其它非线形光学元 件。目前发现各波导之间光波的相互耦合，还可以产生许多非线性现象。 光感应法是目前制作光子晶格的主要方法，其中包括：傅立叶变换光感应法、干 涉光感应法、成像光感应法。不同的光感应法制作出来的光子晶格也具有不同的特点， 就拿其中的周期来说，干涉光感应法制作的光子晶格最小间距是3 0 p r o 3 0 1 ，而空间傅 立叶变换光感应法制作的光子晶格最小间距是6 1 u n 3 2 】。下面对几种方法进行简单介 绍： 成像法成像法制作光子晶格是指在均匀的平面入射光波中插入振幅掩模，振 幅掩模的透过率分布与振幅掩模的空间分布相对应，通过振幅掩模在光折变晶体里感 应出光子晶格。 干涉法o m a t o b a 等人用双马赫一曾德干涉装置产生四束光在l i n b 0 3 ：f e 晶体 中相干涉，将其中的一束光改变的位相，形成棋盘格式的光强分布，制作了周期为 3 0 1 岫x3 0 1 j m 的2 0 0 多条并行波导阵列【5 1 。 傅立叶变换法利用振幅掩模得到几个点光源，在其傅立叶空间频谱面上可以 得到点阵结构的光强分布图样。运用这种方法，通过适当选择振幅掩模中孔的间隔与 孔直径，并控制曝光时间，杨立森等人【3 0 1 成功地制作了周期为6 岬x 6 1 m 的3 0 0 多条 并行分立的波导阵列，并获得了较高的对比度。 1 。3 光折变效应概述 光折变效应( p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t ) 是光致折射率变化效应( p h o t o i n d u c e dr e f r a c r i v ei n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的缩称。它是电光材料中的电子或空穴在非均匀光照下再分布 引起的材料折射率变化的一种现象。1 9 6 5 年贝尔实验室的a s h k i n 等首先发现了光折 变效应i l 。他们在用铌酸锂和钛酸锂晶体做光倍频实验时，意外的发现在强光辐照区 折射率的不均匀变化，它严重的破坏了相位匹配条件，故当时称 光损伤 。但这种 光损伤与破坏性的光损伤完全不同，它可以通过均匀光照和加热晶体的办法得到恢 复。光折变效应和强光非线性的标志是：它起因子入射光强的空间调制，而不是入射 光的绝对光强，即对于毫瓦甚至微瓦量级的弱光，如果辐照时问足够长那么也可以得 到足够大的折射率改变，使得光辐照法制作各种光折变光子晶格成为可能。光折变效 4 第一章引言 应自从发现以来引起人们对它的普遍重视和极大兴趣，并开展了广泛的研究。自从 1 9 6 8 年，c h e n 等人【1 2 1 4 】在光折变空间孤子、光写入波导等领域进行了广泛的研究。 此后，国内外的很多科学家和研究人员对光折变现象进行了大量的理论和实验研究 p 】。目前为止，利用光折变材料已能够成功制作诸多用途的光学器件。例如，光 学放大器和振荡器，窄带滤波器和定向耦合器，空间光调制器以及光计算、集成光学、 光学信息处理、神经网络技术方面的各种实用器件。 目前来说，光折变效应的研究方向主要有以下方面【6 2 j ： ( 1 ) 进一步了解光折变效应的微光物理机制。 ( 2 ) 研究与光折变效应相关及伴生的非线性光学效应、现象及电光过程。 ( 3 ) 发现、改进和研制高性能的光折变材料和抗光折变材料。 ( 4 ) 利用光折变效应研制高性能的实用器件。 ( 5 ) 在低功率下实时制作光折变光学感应光子晶体，研究在非线性周期系统中 的自局域态和衍射控制。 1 3 1 光折变效应的物理机制 光折变效应是发生在光电材料中的一种复杂光电现象，当晶体中的杂质、空穴或 缺陷在调制光场辐照时，光激发电荷会相应的进入邻近的地带，形成了光生载流子， 这些光生载流子会在动力源作用下在导带和价带中运动，其动力源有几种可能，分别 是浓度梯度扩撤、电场作用下漂移、光生伏打效应。经过迁移的电荷可以被重新俘获， 这样经过再激发，再迁移，再俘获，最后离开了光照区而集居于暗光区，形成了与晶 体中光强分布相对应的调制的空间电荷分布。但是形成的空间电荷场相对辐照光场的 光强分布有一空间相移。在晶体中，在不存在反演对称的情况下，空间电荷场将通过 线性电光效应在晶体中形成折射率的空间调制变化，或者说在晶体中写入体相位光栅 【6 2 】。显然，光辐照在晶体上时，在晶体中写入体相位光栅的同时，又受到自写入相位 光栅的衍射作用而进行读出，因此，光束的写入和读出过程在光折变晶体内是同时进 行的。光折变晶体中这样记录的相位光栅是一种动态的、实时的全息体光栅。这种动 态光栅对写入光束的自衍射，将引起入射光波的振幅、相位、偏振态甚至频率的变化。 从这个意义上讲，动态光栅的自衍射为相干光的处理提供了全方位的可能性。 c h e n 等人在分析光折变晶体内的光生载流子的迁移过程时，提出了载流子在外 场或晶体内极化电场作用下的漂移机制 i2 。随后a m o d e i 等人又提出了光激发载流子 内蒙古师范大学硕士学位论文 按光强梯度分布引起的扩散迁移机制【1 3 】，并指出在低电导材料中，当干涉条纹间距较 小时，迁移机制的主要是光生载流子的扩散。他们从理论上给出了光生载流子因浓度 梯度扩散和电场作用下的漂移这两种机制下的电流密度以及折射率变化的相位栅分 布。并指出，如果相位栅的记录是通过自由载流子的漂移机制，则两写入光束之间会 出现稳态的能量转移，能量转移的方向由自由载流子的符号决定。随后，g l a s s 等人 又提出了光生伏打效应【1 9 】这一种新型的迁移机制。它和通常的光生伏打效应是不同 的，它是铁电材料在均匀光辐照下会产生一种沿自发极化方向的光生伏打电流，与这 种光生伏打电流相应的光生伏打电场被称为“内电场”，因而它是不同于外场和扩散 作用下的又一种新的光生载流子的迁移机制，这一发现对光折变效应的理论研究提供 了新的方向。 总之，在光折变过程中自由载流子的迁移有扩散、漂移和光生伏打效应这三 种不同迁移机制，下面分别对它们进行简单的介绍： ( 1 ) 扩散机制【6 2 】：在非均匀光强辐照下，亮区自由载流子浓度最高，暗区自由载 流子浓度最低，在浓度梯度v ，z 作用下形成了扩散电流，其电流密度为 厶= 一q d v n = k b t t v n ( 1 1 ) 其中，q 为载流子电荷量，其符号空穴为正号，电子为负号；d 为扩散系数；v n 为 载流子浓度梯度；为自由载流子的迁移率；k 为玻尔兹曼常数；丁为绝对温度。 ( 2 ) 漂移机制【6 2 】：载流子在电场作用下的进行迁移，其中电场包括外加电场磊和 空间电荷场龟，则漂移电流密度为 乃= q 1 m e( 1 2 ) 其中，外加电压与电场的关系为f 雷万：v l ；v 为外加电压；l 为电极之间的长度。 ( 3 ) 光生伏打效应机制1 6 2 1 ：不同偏振的光会在不同方向引起光生伏打电流，当入 射光偏振方向沿铁电晶体的c 轴方向时会产生反平行于自发极化方向的光生伏打电 流。光生伏打电流的数值与吸收系数a 和辐照光强的关系一般表示为： ) p v = l r c t i 6 ( 1 3 ) 第一章引言 其中，茁为g l a s s 常数。 1 3 2 光折变效应的主要特征 光折变材料除具有较大的电光系数外，与一般在高功率下的非线性光学材料相 比，还具有以下主要特点【5 0 】： 第一、光折变材料的光学非线性效应与光强无关。也就是说在用弱激光来辐照晶 体时，只要辐照时间足够长，同样会显示出可观的非线性效应。辐照光强的大小只影 响光折变过程进行的速度和折射率变化血的饱和值a n 。 第二、光折变效应具有空间非局域性。折射率变化的最大值处并不对应光辐照的 最强处。也就是说，相位栅在光栅波矢方向相对于光强的干涉条纹有一定的空间相位 移。 第三、光折变效应具有非瞬时响应性，且有相当长的暗存储时间。光折变响应时 间f 与光电导o r 抽密切相关口3 。已经发生光折变效应的光学非线性材料在外界条件适 当的情况下，可以保存很长时间。 第四、短波长的光比长波长的光产生光折变效应的灵敏度要高。这是因为光的波 长越短，单个光子能量就越大，这样处于更深能级的光生载流子也能被激发，长波则 正好相反。 第五、光折变过程是可逆的。发生光折变效应的材料中，折射率变化血在均匀 光辐照或加热的条件下能被擦洗掉，光折变晶体可重复使用。 1 3 3 光折变效应的带输运模型 俄国科学家k u k h t a r e v 等人【1 0 】提出了描述光折变效应的带输运理论模型。在该理 论模型中，同时考虑了光激发载流子的扩散、漂移和光生伏打效应三种迁移机制，较 全面地分析了光折变效应的微观过程。 为讨论简单起见，假定光激发载流子为电子，且所有的施主杂质占据同一个深能 级。当有光辐照时，这些施主杂质通过吸收光而电离，光电子被激发至导带，可通过 扩散或漂移在导带中运动。被电离的施主成为未被电子占据的空穴，它们可以作为俘 获光电子的陷阱。当光电子迁移至暗区时，被该处的陷阱复合，形成空问电荷的分离。 分离的空间电荷在晶体内建立了空间电荷场，空问电荷场通过电光效应在晶体内引起 内蒙古师范大学硕士学位论文 与入射光强的空间分布相对应的折射率变化。设晶体内的施主数密度为d ，被电离 的施主数密度为孵。在光辐照下，光折变形成过程如图1 4 。 图1 4 光折变效应的过程嘲 在理论计算中，带输运模型理论的基本方程式包捌6 2 】： ( 1 ) 被电离的施主数密度孵的速率方程 。 _ o n d ：( s + ) ( d 一孵) 一k 刀( ，) ( 1 4 ) o t 上式中s 为光激发截面；j 为入射光强；为热激发速率；为光电子与陷阱的复合 常数；，l ( ，) 为导带中的电子数密度；k ，l ( ，) 为光电子与陷阱的复合率； ( 豇+ ) ( d 一孵) 是在 誊强，照射下被电离的施主数密度的产生率。 ( 2 ) 导带中光电子运动形成的电流所满足的连续性方程为 宴= 盟+ 1 v 歹 ( 1 5 ) 西o t e 其中电流密度歹一般情况下由三部分组成： j = k 占t , u v n + 厶+ e l z n e ( 1 6 ) 其中为迁移率；k 为玻尔兹曼常数；t 为绝对温度。上式中第一项为扩散电流密度， 是由于载流子浓度梯度而引起的；第二项l h 为光生伏打电流密度；第三项为漂移电 流密度，电场e 包括外电场民和空间电荷场e , c 。 第一章引言 ( 3 ) 光波方程： ( 4 ) 折射率方程： v 2 9 0 p t + 7 1 ，2 争_ 。 ( 1 7 ) ，1 2 = n 2 ( 1 一菇场瓯) 对于一般的光折变晶体，折射率方程可近似表示为 以= 一弘1 3 瓦 其中，为晶体的折射率、为有效电光系数。 的基本方程，1 ok u k h t a r e v 力f 程组。 1 4 光子晶格中的缺陷 1 4 1 缺陷的概念及应用 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 以上方程( 1 4 ) - - - ( 1 9 ) 为光折变效应 由于光子晶体拥有绝对能隙，但就应用的角色来看，科学家对有“杂质”的光子 晶体更感兴趣，原因就是杂质态。实验上发现，在二维或三维的光子晶体中加入或移 去一些介电物质，便可以产生杂质或缺陷，对于一个杂质态而言，由于“杂质”四周 都是光子晶体形成的“禁区，电磁波在空间分布上只能局限在“杂质”附近。与半导 体的情况类似，光子系统的杂质态也多半落在能隙内，这使原来为“禁区 的能隙出 现了“一线生机”，如图1 - 5 ( a ) 所示。正是由于这“一线生机 ，给了人类局限电磁波 的传播方向和频率的能力；正是由于这“一线生机，使我们有了导引电磁波的可能， 这点在光电上极具应用价值，如图1 5 ( 6 ) 。通过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 的光子晶格过滤器【4 8 j ；如果引入的缺陷是点缺陷，如图1 - 6 ( a ) 禾l j 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，这相当于微腔，就可 制成高品质因子的光子晶格谐振腔1 4 州；如果接连制造几个点状缺陷，形成线缺陷，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，如图1 6 ( 6 ) ， 有人以它设计成光予晶体光纤。 9 内蒙古师范大学硕士学位论文 。 而 塑 e ml i 堋川| l ( 曲缺陷光于晶格带隙结构( 曲线缺鹃的空间结构 图1 - 5 在。禁区”中的缺骼 f 扣) 带有点缺陷的晶格带有线缺陷的晶格 图1 4 5 拥有点缺陷和线缺陷的光子晶格 142 缺陷的制作方法 在工业上，人们利用高温烧结法【”1 和拉伸法u 增方法来制作了缺陷和带隙型光 子晶体光纤。 ( 1 ) 高温烧结法1 2 竹：英国b a t h 大学的研究人员用二维光予晶体成功研制成新型 光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在 2 0 0 0 度烧结而成。直径约4 0 微米、蜂窝结构的亚锻米空气就是导光通道。在这里传 播光是在空气孔中而非氧化硅中，由于相当大的光功率在空气中传输，可导光波的范 围很大。此方法制作的缺陷高低折射率衬比度很大，但是此方法具有复杂、技术含量 高且难以实现等缺点。 ( 2 ) 拉伸法口 ：拉伸法制作光子晶体光纤一般分为两个步骤，p c f 预制棒的制作 和p c f 预制棒的拉制。预制棒的最简单常用的方法是堆积法，这种方i 去首先用m c v d 法、o v d 法或者v a d 法制出一定数量的空心石英管和石英棒，将这些石英管排列堆 积成预先设计好的形状，中间去掉儿根石英管或是用石英棒替换，以便形成缺陷，然 后将它们放到台适尺寸的薄壁石英管护套中晟厉蟛成预制棒。预制捧制成后还可以 嚣一章引言 对其进行热处理或酸处理，去掉预科棒表面的微小裂纹，选样拉伸过程中不易发生局 部坍塌。这种方法制作的预制棒可以灵活地改变纤芯、尺寸和形状、以及控制包层区 域的折射率分布。采用精密仪器并控制适当的温度，在合适的速度下将预制棒拉制 成p c f 。最后再将拉制好的光纤涂覆保护层以增强其机械度和抗腐蚀性。 在实验室中，陈志刚等人曾经以成像聚焦法成功地制作了线缺陷l l 和点缺陷 1 6 “”。剃思敏等人用干涉聚焦法也成功地写入了点缺陷删。在覆们实验室的条件 下，有两种构造缺路的方法，分别是交叉相位法和成像法。 ( 1 ) 交叉相位法：利用两不同的辐照光照射在晶体的同一个位置，来构造缺陷态 光折变光子晶格，其优点是光路调整简单方便，缺点是只能构造简单类型的光折变光 子晶格，装置如1 - 7 图所示。其中p 为偏振片；m a s k i 和m 幽为掩膜；h 和k 为 汇聚透镜；l | 为成像透镜；m i 、m 2m ，m 4 为反射镜；c 为晶体 - 【j ，l 一 甓旧一 l l 工l 1 兰j _ ! i 。l h 。墨、 图1 4 交叉相位法的实验装簧 ( 2 ) 成像法：把带有缺陷的周期性振幅掩膜成像在光折变晶体中，辐照一定时问， 在光折变晶体中形成与振幅掩膜明暗反衬的缺骼光折变光子晶格l 柙。其中m a s k 为掩 亭j 三爿2 ir ! i i | 、r 7 l 一。 笙”一，! 瞄l - $ 成像法构避缺w 锄：折变光子品_ i 备的实验装置 可卦 矾一 舜骘掣： 壁辫卜： 蛐l 熄 菇。 内蒙古师范大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要研究内容 第一章介绍光折变效应、光折变光子晶格与缺陷的概念、制作方法及其应用，并对 其中几种缺陷光子晶格的制作方法进行了介绍。 第二章以交叉相位法的装置为基础，利用圆柱透镜整形出来的片状光束成功的在 l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作了带有线缺陷的光折变光子晶格。同时，我们利用掩膜模型的 理论方程，成功地绘制了带有线缺陷的二维光子晶格的光强分布并与其对应的折射率 分布图。 第三章采用交叉相位法，以四孔菱形掩膜和1 5 1 5 矩阵型掩膜在晶体中制作了带 有点状缺陷的二维光折变光子晶格，研究了这种点状缺陷的光学特性，并对点缺陷局 域光的实验条件进行了讨论。在通过数学推导，在理论上模拟了掩膜的空间光强分布， 发现实验和理论符合的很好。 第四章在实验上利用近红外光成功诱导了晶体的光折变效应，在实验和理论模拟了 折射率的变化，并与可见光进行了比较可知，发现了与可见光的结果非常的相似。通 过实验现象和理论分析我们得出：掺铁铌酸锂晶体的红外光折变效应是倍频光激发 的，全新的解释了这种现象的机理。 第五章对本文工作中得到的结论进行总结，并对下一步工作的展开提出一些建议。 1 2 第二章片光法构造缺陷态光折变光子晶格 第二章片光法构造缺陷态光折变光子晶格 缺陷态光子晶格就是在周期规则的波导阵列中“挖去”些点，从而破坏晶格的 对称性，使光子带隙中产生很窄的允许频带，让其具有引导电磁波的可能。一个点状 缺陷相当于一个微空腔，如果接连构造几个点状缺陷，那么就形成线状缺陷，电磁波 便可能沿着这个缺陷传播，就类似于一个选择频率范围的波导，使得在频率范围内 的电磁波( 光波) 可以沿着该线状缺陷的方向传播，而不在频率范围内的光波则不能 在缺陷中传播，这使得缺陷态晶格具有了应用的价值，为今后制作光子晶体光纤以及 集成光路奠定了基础。 目前，关于缺陷态光子晶格在理论以及实验上都有大量的研究【3 m 3 2 1 。理论上人 们最关心的是其带隙的存在与否以及带隙的宽窄，实验上来讲就是其对光的局域能 力。目前，用单光束聚焦的方法能够在光子晶格中写入微米量级的点缺陷，但不能制 作其它结构的缺陷，而光子晶格若能在实际中得以应用就必须要求缺陷有不同的结构 类型。为此，寻找制作各种结构缺陷光子晶格的方法就显得十分重要。本文是利用片 光法在l n 晶体够造出了不同类型的带有线缺陷结构的光子晶格，分析了不同角度对 写入线缺陷的影响，理论和实验符合的很好。 2 1 实验装置与实验现象 2 1 1 实验装置 在实验中，利用扩束的平行光辐照在四孔掩膜和柱透镜上，把它们的光场分布进 行叠加后，并同时辐照在晶体的前表面上，写入带有线缺陷的光子晶格。在实验过程 中调整柱透镜可以得到不同角度的线状缺陷，此处说的角度是缺陷的方向和光轴方向 所成得角度。实验光路如图1 所示， 内蒙古师范大学碗士学位论文 豳厶l 片光法实验装置其中k 是圆柱透镜；k 和l ，为成像和汇聚透镜 m 为品格掩膜：p 为偏振片；t 为阔柬整形系统；c r y s t