（光学专业论文）光折变微结构的制作与研究.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 光折变微结构是利用电光材料的光折变效应制作而成的光学微小结 构，其空间尺度大约在光波波长量级，隶属光子晶体范畴，一般称之为 光子晶格。光子晶格的最大特点是存在光子带隙，落在光子带隙区域的 那些频率的光波不能在其中传播，而被全部反射出去。光子晶格的应用 价值很大程度上在于缺陷态的存在。当人为地破坏晶格的周期性结构，便 可以产生缺陷，只有和缺陷态频率吻合的光子才可能被局域限制在缺陷 位置或只能沿缺陷位置传播，当偏离缺陷的位置时光波会迅速地衰减。即 可以做出对某一特定波长透明的窗口，使其具有导引电磁波的可能。 目前，光诱导光子晶格的方法是研究周期性光学微结构的最简单、 最便捷，而成本又是最低的方法。如果将l i n b 0 3 ：f e 晶体中阵列波导的 某一根或某一列移去就构造出了具有点缺陷或线缺陷结构的光子晶格。 因此，研究在l i n b 0 3 ：f e 晶体中构造缺陷态光折变光子晶格及其带结构 对微结构光学的发展与应用具有十分重要的意义。 本论文首先研究了如何利用成像法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作缺陷态 光折变光子晶格，其次研究了缺陷光子晶格的局域光现象，最后研究了 阵列光束与写入晶格的相互作用。所完成的主要工作如下： 1 用成像法在不同厚度l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作缺陷光子晶格时发现： 晶体的厚度与折射率、透镜焦距、物距、透镜孔径等实验因素对写入的 晶格的品质有决定性的影响，且当实验因素确定的情况下，晶格的尺度 存在下限。理论分析了实验因素同晶格品质以及晶格品质同晶格尺度之 间的关系，为更好的利用成像法制作光学微结构提供了一些有价值的参 考，是本论文研究工作中的一个小创新点。另外，在优化了各实验因素 的基础上，利用该方法在l i n b o ，：f e 晶体中制作了波导间距为4 0 , u r n 的光 折变集成光路光学谐振微腔，证明了利用全光学的方法制作光学器件存 在现实上的可行性。 2 利用成像法在l i n b o ，：f e 晶体中诱导出了无晶格的线形折射率凹 陷”与线缺陷结构的光子晶格，用探测光束读“凹陷与缺陷的过程中 内蒙古师范大学硕士学位论文 发现：缺陷对光波具有一定的局域作用，而“凹陷 则没有这一特性。 根据光子带隙理论对该现象做了初步解释。分析认为，缺陷局域光波的 现象是由于缺陷模边界处的波导阵列对光波往复的布拉格反射引起的， 缺陷晶格的导光机制类型是布拉格反射型。 3 利用三光束干涉光场在l i n b 0 3 ：f e 晶体内构造三角点阵光子晶格 的动态过程中，发现三光束干涉点阵的阵列元光斑出现了一分为三的分 裂现象。应用相位分裂理论对这一现象作了分析，数值模拟结果与实验 现象符合得很好。实验现象和理论分析表明：写入光与写入的晶格相互 作用都会发生位相分裂而产生空间二次谐波乃至空间高次谐波，且该现 象不仅能在简单结构的光子晶格中产生而且也可以在结构较复杂的光子 晶格中产生。本研究对光学微结构的构造以及阵列光束与光子晶格相互 作用等方面的进一步研究具有一定的促进作用，是论文全部研究工作中 的又一个创新点。 关键词：l i n b 0 3 ：f e 晶体，光子晶格，缺陷，局域，二次谐波 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 r e f r a c t i v em i c r o s t r u c t u r em a t e r i a lw h i c hi sm a d eb yu s i n g p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c ti sak i n d o fp h o t o n i cc r y s t a l i t ss p a c em e a s u r ei so n t h e l 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 em o s tr e m a r k a b l ec h a r a c t e ro ft h e p h o t o n i cc r y s t a li st h a t i tp o s s e s s e st h ep h o t o n i cg a p t h ew a v e sw h o s e f r e q u e n c yi sw i t h i nt h ep a l eo f t h ee x t e n to ft h ep h o t o n i cg a pa r ef o r b i d d e nt o t r a n s m i tt h r o u g ht h ep h o t o n i cc r y s t a l t os o m ee x t e n t ，t h ea p p l i e dv a l u eo ft h e p h o t o n i cc r y s t a ld e p e n d so nt h ee x i s t e n c eo ft h es t a t eo fd e f e c t ad e f e c tc a n b em a d et h o u g hd e s t r o y i n gt h es t r u c t u r eo ft h ep e r i o d i c a ll a t t i c e p h o t o n s w h o s ef r e q u e n c yw e r ee q u a lw i t ht h eo n eo ft h ed e f e c tc a nb el o c a l i z e do r t r a n s m i ta l o n gi t t h ei n t e n s i t yo ft h el i g h t w a v ew o u l da t t e n u a t er a p i d l y w h e nt h e yd e p a r tf r o mt h el o c a t i o no ft h ed e f e c t w ec a nm a k eat r a n s p a r e n t w i n d o wf o re l e c t r o m a g n e t i cw a v ew i t h i nac e r t a i ne x t e n t i ti sp o s s i b l et o a p p l yt h a tk i n do fw i n d o w t og u i d et h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e a tt h ep r e s e n tt i m e ，i n d u c i n gt h ep h o t o n i cl a t t i c eb yl i g h t w a v ei st h e b e s tm e t h o do fa l ls i m p l e ，c o n v e n i e n ta n dl o w c o s to n et oi n v e s t i g a t et h e b a n d - g a p a n db a n ds t r u c t u r e t h e p o i n t - d e f e c ta n dl i n e a r - d e f e c t w e r e c o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l yb yt a k i n go f fap o i n ta n dal i s to fp o i n t si nt h ea r r a y o ft h el i n b 0 3 ：f ec r y s t a l 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 e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r eo p t i c st h a ti n v e s t i g a t i n g t h es t a t eo fd e f e c ta n db a n d s t r u c t u r ei nt h el i n b o s ：f ec r y s t a l i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w ei n v e s t i g a t e dt h a th o wt oc o n s t r u c tt h ed e f e c ti n t h ep 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 e c o n d l y , t h ep h e n o m e n o nt h a tt h e l i g h t w a v e s w e r el o c a l i z e db yt h ed e f e c tw a s s t u d i e d l a s t l y , w em a k e r e s e a r c h e so nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nb e a mo fl i g h ta n dc r y s t a ll a t t i c e t h e w o r kih a v ea c c o m p l i s h e dm o s t l ya sf o l l o w s ： 1 t h et h i c k n e s so ft h ep h o t o n i cc r y s t a l ，r e f r a c t i v ei n d e x ，t h ef o c u so ft h e l e n s ，t h ed i s t a n c eo ft h es u b j e c ta n dt h ea p e r t u r eo ft h el e n sp l a y e dac r u c i a l 内蒙古师范大学硕士学位论文 r o l ei nt h eq u a l i t yo ft h er e a d i n g i nl a t t i c ew h e nw ec o n s t r u c t e dt h ed e f e c ti n t h el i n b 0 3 ：f ec r y s t a lw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s ，t h e c o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n t sw e r ec e r t a i n ，t h em e a s u r eo ft h el a t t i c eh a da l o w e rl i m i t w ea n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p st h e o r e t i c a l l yb e t w e e nt h ec o n d i t i o n o fe x p e r i m e n t sa n dt h eq u a l i t yo ft h el a t t i c e t h es a m ea n a l y s i sw a sm a d e b e t w e e nt h em e a s u r eo ft h el a t t i c e = n dt h eq u a l i t yo fi t b a s eo no p t i m i z i n g t h ee x p e r i m e n t a lf a c t o r s ，a no p t i c sr e s o n a n c em i c r o - c a v i t yw a sm a d ew h i c h t h ew a v e - g u i d es p a c eb e t w e e nw a s4 0m i c r o nb yu s i n gt h a tm e t h o d 2 p h o t o n i cl a a i c eo fl i n e a rr e f r a c t i v ei n d e xh o l l o wa n dl i n e a rd e f e c t w e r ei n d u c e db yu s i n gt h em e t h o do fi m a g i n gi nt h el i n b 0 3 ：f ec r y s t a l t h e l i g h t w a v ec a nb el o c a l i z e db yt h ed e f e c tw h e nw eu s ed e t e c t i n gb e a mo fl i g h t ， w h i l eh a l l o wd i dn o th a v et h i sc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h e b a n dg a p ，w ee x p l a i nt h ep h e n o m e n o n i no u ro p i n i o n ，t h er e a s o nw h yw a s t h el i g h t w a v el o c a l i z e db yt h ed e f e c ti st h a tt h el i g h t - w a v ew a sr e f l e c t e db y t h ew a v e - g u i d ea r r a yt i m ea n da g a i n t h et y p eo ft h ew a v e - g u i d em e c h a n i s m i sb r a g gr e f l e c t i o n 3 t h ef a c u l a ro ft h ea r r a ye l e m e n ti nt h et h r e e - b e a mo fl i g h ti n t e r f e r e n c e l a t t i c es p l i tt ot h r e ew h e nt h et r i a n g l ep h o t o n i cc r y s t a ll a t t i c ew a sc o n d u c t i n g b yt h et h r e e b e a mo fl i g h ti n t e r f e r e n c el i g h tf i e l di nl i n b 0 3 ：f ec r y s t a l t h e t h e o r yo ft h ep h a s es p l i tw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h ep h e n o m e n o n t h er e s u l t o ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na c c o r d e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n o nw e l l b o t ho ft h e ms h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl i g h t - w a v ea n dc r y s t a ll a t t i c e w i l ll e a dt h ep h a s es p l i t ，s e c o n d a r ys p a t i a lh a r m o n i cw a v ea n da d v a n c e d s p a t i a lh a r m o n i cw a v e 。t h ep h e n o m e n o nw a sn o to n l yf o u n di ns i m p l e s t r u c t u r eo f t h e p h o t o n i cc r y s t a l ，b u ta l s od i di nt h ec o m p l i c a t e d o n e k e yw o r d s ：l i n b 0 3 ：f ec r y s t a l ，p h o t o n i cl a t t i c e ，d e f e c t ，l o c a l i z e ， s e c o n d a r ys p a t i a lh a r m o n i cw a v e 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。 1 签名：烬叠赴日期：叼年5 月冲日 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。 h 签名：班毒习u 导师签名：凌移砂毫 日期：朋年5 月艿日 第一章引言 第一章引言 1 1 光折变效应 1 1 1 光折变效应简介 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 ) 是光致折射率改变效应( p h o t oi n d u c e dr e f r a c t i v e i n d e xc h a n g ee f f e c t ) 的简称，它是电光材料在光的辐照下由光强的空间分布引起材料 折射率相应变化的一种非线性光学现象。 光折变效应首先是由贝尔实验室的a s h k i n 等人【l 】于i 9 6 5 年存用铌酸锂( l i n b 0 3 ) 和钛酸钾( l i t a 0 3 ) 晶体做倍频实验时意外发现的。由于光辐照区域折射率的变化破坏 了倍频产生的条件，从而降低了倍频转换的效率。当时他们把这种不期望的效应称作 “光损伤( o p t i c a ld a m a g e ) 。这种“光损伤”在光辐照停止后仍能够保持相当长的时 间。基于这种性质，1 9 6 8 年c h e n 等人【2 渤首先认识到，利用这种“光损伤 效应可以 进行光信息存储，并深入研究了该种效应的物理机制，提出了光激发载流子漂移模型， 从此便得到了人们对它的普遍关注。由于这种“光损伤”可以在晶体被均匀光辐照和 加热的情况下擦洗掉，因而它是一种具有可逆性的损伤。为了与永久性的光损伤作区 别，以后人们将其改称为“光折变效应，它实质上是一种光学非线性效应。光折变 效应区别于强光非线性的标志是：它起因于入射光强的空间调制，而不是入射光的绝 对光强。这表明，对于毫瓦甚至微瓦量级的弱光，如果辐照时间足够长那么也可以得 到足够大的折射率改变。因此，人们通常又称其为弱光非线性。弱光非线性的发现无 疑为非线性光学开拓了更为广泛的研究领域，它不仅可以在方便的时间尺度下观察和 研究非线性光学现缘，而且使得实时地制作各种非线性光学元器件成为了可能。目前， 利用光折变材料已能够成功制作诸多用途的非线性器件。例如，光像放大器和振荡器， 窄带滤波器和定向耦合器，自泵浦相位共轭器，三维光折变体全息存储器，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。 1 1 2 光折变效应产生的物理机制 光折变效应是发生在电光材料中的一种电光现象。电光材料是具有电光效应( 包 括具有一次电光效应或二次电光效应) 的材料，即折射率n 随电场层发生变化的材料 【4 j ，凡是电光系数足够大的电光材料均存在光折变效应，在电光介质中n 随的变化 很小。一次电光效应只存在于介质不具有对称中心的材料中；二次电光效应则可能存 在于任何介质( 甚至非晶体，液态的硝基苯，二硫化碳) 之中【4 j 。光折变过程的物理 内蒙古师范大学硕士学位论文 机制可以概括为以下5 个步骤，如图1 - 1 和1 - 2 所示： ( 1 ) 电光晶体内的杂质、缺陷和窄位作为电荷的施主或受主，在不均匀光辐照下， 施主杂质被电离产生光激发载流子； ( 2 ) 光激发载流子( 在导带中的电子或价带中的空穴) 通过浓度体梯度扩散或在 外加电场或光生伏打效应作用下的漂移而运动； hv - - - - - - - - _ _ _ i 卜 珍杉刃乡, j ,夕杉么刃 嚼 l lj r 一一l 一 导带 旄主n d l 受主n 区z 乙乙z z 乙乙z z 刁价带 图1 - 1 光折变模型1 5 】 ( 3 ) 在辐照区的迁移电荷可以被陷阱重新俘获，它们经过激发、迁移、俘获，再 激发、直至到达暗区被处于深能级的受主重新俘获。形成了正、负电荷的空间分离， 这种空间电荷的分离与光强的空间分布相对应； ( 4 ) 这些光致分离的空间电荷在晶体内建立了相应的空间电荷场； ( 5 ) 空间电荷场又通过电光效应在晶体内形成了与光强的空间分布相对应的折射 率变化。 袖甲竞| f 丽l l。 斗圆凇，避 知圜喇匦扣椭 摊 li 鼍 ；l 圳【砷l ；l 棚椭 ii ：i ：l l “ lull；曩l凰li“力熊舻誉噩噩翻 甲秽汲 朔l 曼匡ii 雪孙) 盼舻 空一 蠢曼l 至三三三三三i 邑( x ) # 、一z 、一j 。 种：埔口田州段恕一 图1 2 光析蛮鼬府的 寸膨1 6 1 光折变过程中的光生载流子( 电子或空穴) 主要来源于晶体中的杂质和缺陷。它们 的能级位于晶体的禁带中，作为电荷的旌主和受主。因此，晶体中的掺杂浓度、掺杂 种类对光折变的影响至关重要。例如，在l i n b 0 3 晶体中掺入少量的可变价念的铁f i e ) 、 2 第一章引言 铜( c u ) 、锰( m n ) 等过渡元素杂质后，会增强l i n b 0 3 晶体的光折变性能，提高其光折 变灵敏度；而掺入少量的单一价态和满壳层的元素镁( m 曲、锌( z 1 1 ) 、铟( h 1 ) 等后，会 使其光折变灵敏度大大降低( 在可见光光谱范围内) 。 随着人们对光折变效应微观机制的深入探索研究，逐渐形成了光折变效应的理论 体系。c h e n 等人在分析光生载流子的迁移过程时，提出了载流子在外加电场或晶体 中的内电场作用下的漂移机制【2 ，3 1 。随后a m o d e i 等人又提出了光激发载流子按光强 梯度分布引起的扩散迁移机制【刀，从理论上给出了光生载流子因浓度梯度扩散和在电 场作用下的漂移这两种迁移机制下的空间电荷场的分布，进而指出了光折变相位栅的 分布，由此说明了光折变效应的许多现象。之后，g l a s s 等人又提出了一种新的自由 载流子的迁移机制光生伏打效剧3 1 。它是铁电材料在均匀光幅照下产生的一种反 平行于自发极化方向的光生伏打电流。综上所述，在光折变过程中自由载流子迁移主 要有以下三种机制： ( 1 ) 扩散：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 n 作用下形成了扩散电流，其电流密度为 厶= 一q d v n = k s r l t v n ( 1 1 ) 其中，g 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 b 为玻尔兹曼常数；t 为绝对温度。 ( 2 ) 漂移：载流子在电场作用下的迁移，电场包括外加电场9 0 和空间电荷场或。 漂移电流密度为 厶= q l t n e ( 1 2 ) 其中，# t i j h 电压与电场的关系为f 雷万= v l ；v 为外加电压；l 为电极之问的长度。 m ( 3 ) 光生伏打效应：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 振方向只沿铁电晶体的c 轴方向时( p 光) 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口和辐照光强，的关系一般表示为： j e p = t c t r l ( 1 3 ) 其中，r 为g l a s s 常数。 1 1 3 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： 内蒙古师范大学硕士学位论文 ；第一、光折变材料的光学非线性效应与光强无关。这也就足说用弱激光来辐照晶 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，z 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。这种光栅又称为相移型光栅，它允许两束相互作用的光束之间发生稳态的能量 转移。 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 与光电导盯西密切相关【9 】 f ：垒生 ( 1 4 ) o 嘶七dd 暗存储时间为 ，一s 啦o 乃2 _ o - a ( 1 5 ) 其中，为有效介电常数；岛为有真空中的介电常数；盯助= s 为光电导，s 为光激 发截面，为，辐照光强；o d 为暗电导，在有光辐照下光电导远大于暗电导，即 仃柏o - a 。因此，光折变响应时间f 近似反比于入射光强，。 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。 第五、光折变过程是可逆的。折射率变化，l 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 2 光子晶体 1 2 1 光子晶体的概念 光子晶体是1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n 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，各自独立地提出的【1 1 , 1 2 】。光子晶体最基本的特征就是具 有光子禁带。由固体电予能带理论知，晶体中原子呈周期性排列，其库仑场叠加形成 周期性电势场。电子在其巾运动时将受到电势场的布拉格散射，从而形成能带结构， 带与带之间可能有带隙，称其为禁带，能量落在禁带中的电子不能传输。与此相仿， 当电磁波在周期性电介质结构材料中传播时，由于受到调制而形成能带结构，带与带 4 第一章引言 之问也可能出现带隙，该带隙称为光f 带隙( p b g ：p h e t o n i cb a n dg a p ) 频率落在带隙中 的电磁波将披禁止传播。具有光予带隙的周j 9 j 性介电常数结构被称为光子晶体 ( p h o t o n i c c r y s t a l s ) ，也称作光子带隙材料( p h o t o n i e b a n d - g a p m a t e r i a l s ) ” ”】。所以，许 多固体物理中的概念可以直接运用到光子晶体中，立u 倒格子、布里渊i 兰、色散关系、 布洛赫波、能隙、能态密度、缺陷态等。但需要指出的是，光子品体与晶体虽相似的 地方，但本质上却有不同之处i ”i 。 幡 捌介质删期性的空间取向，可以将光予晶体分为一维、 维和- 三维光子品体。 寥 彻图 塔符光子品体是一种纯粹的人工合成的新材料，但近几年人们也在自然界中技现 r 大然的光了品体。例如，蝴蝶翅膀上的天然二维光予品体结构，如【刳l - 4 ( a ) 所不， 蝴蝶翅膀上的斑堋色彩就是磷粉排列整齐的微米结构有选择性的反射太阳光所致。 4 蝌1 4 蝴蝶翅膀自l 蚩r l i 图l4 ( b ) 所4 i 的蛋白石也是一种夫然的光了晶体材料，它色彩续纷的外观0 色奈 无= ) 乏，艇是田为它几何结构上的周期性使它只有光f 品体能带结构，“l 十能隙们小同 反射光的颜色也随廿变化，呈现j ；色彩斑搁的外观。 内蒙古师范大学硕士学位论文 自从提出了光子晶体的概在短短的几十年间，光子晶体的研究获得迅速的进展， 例如用一维光子晶体作全方位高效反射镜、超低损耗波导、非线性光学二极管、光学 开关、光学器、二次谐波发生器、光子带边缘激光器等光学器【l o 1 6 1 9 1 。类似于半导 体的发展极大地推动了电子学和电子产业的发展，光子晶体的发展也将极大地推动光 子学和光子技术产业的发展。 1 3 光子晶体的制备方法 光子带隙的出现与光子晶体结构、介质的连通性、介电常数反差和填充比有关。 一般说来，光子晶体中两种介质的介电常数相差越大，入射光将被散射得越强烈，就 越有可能出现光子禁带。因此，在光子晶体的制备研究中，介质的选取、几何造型必 须都得考虑。光子晶体由于结构不同而制作方法也不尽相同。 1 3 1 机械精密加工【2 0 l 光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当，因此波长越长的光子晶体越易制造。对于 微波波段的光子晶体，晶格常量在毫米量级。用机械加工的办法可实现。把直径为毫 米量级的介质柱相互平行排成阵列，或者在介质基底上打孔形成相互平行的空气柱 列，当微波在平行于圆柱轴线的平面上传播时，就会形成光子带隙。最早的二维和三 维光子晶体就是这样制作的。例如，第一个具有完全光子带隙的光子晶体结构就是 e y a b l o n o v i t c h 研究小组于1 9 9 1 年设计出来后打洞而成的。 图1 5y a b l o n o v i t c h 制作的光子品体 1 3 2 刻蚀技术【2 1 , 2 2 】 如果采用激光刻蚀、粒子束刻蚀、反应粒子束刻蚀等先进的半导体加工技术，可 以比较容易的得到远红外波段的二维光子晶体，甚至可以将频率提高到红外和可见光 波段。不但可以精确地制造出高度次序排列的阵列，更可利用光罩的设计来达成光波 6 第一章引言 导的行径方向。但是， j r j 一加工工艺水甲的局限。即使是红外波段的三维光予晶体， 制各上也有很大的凼难，较为可能的是，在半导体基片j 通过镀膜、光刻、腐蚀这儿 个过程反复循环形成方形电介柱周期堆积这样构成的光子晶体可能工作在光学波 段。 圈；t t l 埔i l t t ；t豳 ” a ) 利川光刻蚀技术制造二维光于品体凹( m 利川光刻蚀技术设计光波导方l q 圈i6 刻蚀技术制作的品体及波导 133 反蛋白石法 h 前，实际应用研究较多的还有反蛋白石法制备光子品体。蛋白石是种常见絮 石，其结构为可见光波段的= 氧化硅小球的晟紧密堆积或者面心立方点阵。反蛋白石 结构就是指空气小球或其他低电容：牡小球以密堆积排列在高电容率的连续介质中，制 备的方法是在只有蛋白右结构的横版缝隙中填充高折射率介质，如：s i g e 等，然 后用腐蚀、煅烧的办法去掉原来的模版材料，形成的光予品体。用这种方法l 三经制备 出了可见光波段和近红外波段的光r 晶体，现在研究的币点用l 难点主娈蛾 在模版的 选择、填充上。该方法有简单、廉价的优点，但存在几、j ，j 、机械强度低的缺点。 13 4 胶体光子晶体1 2 4 l 在腔体溶液中放入犟”，胶体颗粒和基片带不同的i 乜荷，定浓度和1 乜荷密度的 胶体颗 t 在i ? 1 b 作丌if 自外 织成有序结构并吸附到坫片表而，形成胶体晶体。山干胶 体颗粒的尺寸n 微米_ i 级以r ，闻此r 以用之制备近红外和r 叮见光波段的光r 品体， 但是其咒f 带隙艘 1 现在菜”b 特定的方向，不能称之为真i f 光子品体。这是“1j 这 种晶体托平行r 基底表山】方向是密排的柯序结构，l 巾存垂直方向l 却是无序的。此外， 山丁化学成分的限；制，胶体生k 的光九晶体多为聚苯乙烯体系和氧化硅胶体体系， 其电容率埘比值不能太大，这也决定了胶体光子晶体的光子能带比较窄；但利丌】控制 反应系统巾的温度梯度以及浓度梯度- l 成功地快速制造岛次序排列结构的：维光 r 晶体。 内蒙古师范大学硕士学位论文 1 3 5 光诱导法2 5 2 8 】 光诱导法是利用电光材料的光折变效应通过调制入射光的空间分布来制作所需 结构的光子晶体。它不但可以在方便的时间尺度下观察与研究弱光非线性现象，而且 也使实时地制作各种非线性光学元器件成为可能。因此，光诱导法是制作各种光学元 器件最简单直接的方法，同时也是研究光子晶体的性质及导光特性等方面最便捷的方 法。为此，本文实验全部采用光诱导法。 光诱导法是制作光折变光子晶格的主要方法，也是研究光子品格带隙与带结构的 最简便直接的方法。光诱导法主要有：干涉法、成像法。具体介绍如下： 成像法成像法是把周期性的振幅掩膜成像在光折变晶体中，辐照一定时间j 光折变晶体中形成与振幅掩膜明暗反衬的波导阵列。由于成像采用掩膜的图样可以是 任意的，所以成像法可以构造各种形式的光子晶格。 干涉法干涉法是利用分波阵面干涉的原理，将一束光的波阵面分成等振幅的 几部分，再利用透镜将这几部分光汇聚在同一处产生干涉花样。将晶体放置在花样的 位置处，辐照一定时间，光折变晶体中便形成了与花样明暗反衬的波导阵列。杨立森 等人曾利用干涉法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中【2 9 1 成功地制作了3 0 0 多条周期为6 1 a m 6 1 t m 的 并行分立的波导阵列，并获得了较高的对比度。 1 4 本论文的研究内容 本论文首先研究了如何利用成像法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作缺陷态光折变光子 品格，其次研究了缺陷光子晶格的局域光现象，最后研究了阵列光束与写入品格的相 互作用。具体如下： ( 1 ) 第二章研究了如何利用成像法在l i n b 0 3 晶体中制作缺陷光子晶格。研究发 现：写入到晶体中的晶格的品质与晶体的厚度、折射率、透镜焦距、物距、透镜孔径 等实验因素有关。当实验因素确定的情况下，品格的尺度存在下限。理论分析了实验 因素同晶格品质以及晶格品质同晶格尺度之间的关系。在优化了各实验因素的基础 上，利用该方法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作了波导间距为4 0 1 t i n 的光折变集成光路光学 谐振微腔。 ( 2 ) 第三章研究了光子品格局域光的现象。利用成像法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作 缺陷光子品格的过程中发现了光子品格的缺陷局域光波的现象。根据光子带隙理论对 该现象做了初步解释。分析得出的结果是，缺陷局域光波的现象是由于缺陷模边界处 的波导阵列对光波往复的靠拉格反射引起的，缺陷品格的导光机制类型是布拉格反射 第一章引言 型。 ( 3 ) 第四章研究了三角点阵光子晶格中的空间倍频现象，这是对空间二次谐波 现象的进一步研究。首先，从输出光束的阵列元光斑一分为三的动态变化过程观察到 了三角晶格的空间二次谐波现象。其次，利用相位分裂理论对该现象做了解释并建立 了数学模型。最后，根据数值计算的结果对该现象做了数值模拟。 内蒙古师范大学硕士学位论文 第二章成像法制作光折变微结构 用全光学的方法制作光学微结构的主要原理是利用介质的光折变效应，通过入射 光场的空间分布得到介质折射率的空间分布，从而制作出波导、波导阵列乃至集成光 路，达到导向光的目的。其制作方法包括掩膜成像法、干涉法【3 1 】与傅里叶变换法【3 2 3 3 】 等成像法是把周期性的振幅掩膜成像在光折变晶体中，辐照一定时间，光折变晶体 中形成与振幅掩膜明暗反衬的波导阵列。由于成像采用掩膜的图样可以是任意的，所 以成像法可以构造各种形式的光子晶格，比干涉法和傅罩叶变换法简便且容易实现。 2 1 成像法在l i n b 0 3 ：f e 晶体中制作缺陷态光子晶格 光子品格中最有应用前景也最具有应用价值的是缺陷光子态晶格。所谓缺陷光子 晶格是指：在光子品格中移去几根波导，产生品格“缺陷 ，使其具有导引电磁波的 作用，这就使光子品格有了广泛的应用前景【”】。一个点状缺陷相当于一个微空腔。如 果接连制造几个点状缺陷，形成线状缺陷，电磁波便可能沿着这些缺陷传递，就相当 于一个波导。在( 2 + 1 ) 维波导阵列中，去除几根波导就可以形成光子晶体光纠3 5 】。 2 1 1 实验装置 用掩膜成像法制作带有缺陷的( 2 + 1 ) 维光折变光子晶格的实验装置如图2 1 所示， 让来自y a g i 激光器的波长为五= 5 3 2 n m 的偏振光作为写入光，经望远镜系统扩束后 照射在一个带有“t ”字形缺陷的掩膜上，掩膜通过透镜厶( f = 1 2 0 m m ) 成像于 l i n b 0 3 ：f e 晶体的前表面，晶体后表面的光强分布由透镜厶成像在c c d 上通过p c 屏幕可直接观察到。这样，经过一定时间的辐照后便在晶体中形成了带有“t ”字形 缺陷的( 2 + 1 ) 维光折变光子晶格( 二维波导阵列) 。为了观察制作出的品格形态，让来 自y a g 2 激光器( 与y a g l 相同) 的光作为读出光，扩束减弱后通过分束器照射在 l i n b 0 3 ：f e 晶体的前表面。这样，切断写入光的同时接通读出光就可以通过c c d 在 计算机屏幕上观察到写入在晶体内部的缺陷晶格的图像了。 l o 第二章成像法制作光折变微结构 糖毫 i 毒k 2 i m z “r 蕈碧 l 为成像透镜；m a s k 为掩膜：b s 为分求器c r y s t a l 山l i n b 0 1f e 品体 l 为记录光路23 j 探洲光路 酗2 - 1 制作带竹缺陷的f 2 + 1 ) 维光折变光f 品格的实验装簧 2l2 在薄晶体中制作带有缺陷的( 2 + 1 潍光子晶格 将掩膜的像投射到c c d 卜绛采集得到输入刚像如图2 - 2 所示 菱 幽2 - 2 通过c c d 采攘到的掩膜像 再将薄晶体( 厚度l = l m m ) 的前表而放置在透镜厶的像平面处，经过定时问的辐照 后，m i 妻出光读出的光子品格的像如图2 3 所示。 卜p n 一 患r ；1i； 内蒙古师范大学硕士学位论文 def 幽2 - 3 薄晶体内制作的不同周期品格的读出像 从图2 - 3 可以看出，晶体内波导的分立程度随着晶格周期的增大而增加。当周期 a = 4 0 u r n 时缺陷的轮廓开始明显起来，当a = 6 0 u m 时可以清楚的观察到缺陷：而当 a = i o o u r a 时波导完全分立开柬，缺陷形状更加清晰可以清楚的看见幽巾央的。t ” 字。 2 1 3 在厚晶体中制作带有缺陷的( 2 + 1 ) f i t 光子晶格 l - 1 样，将厚晶体( 厚度l = 1 0 m m ) 的前表面放簧在b 的像平面处，经过一定时问的 辐照后，山读出光读出的光千品格的像如图2 _ 4 所示。 de f 幽2 4 厚晶体内制竹i 的不同周期晶格的读出像 从图2 - 4 可以看出，厚晶体内波导的分屯程度也随着品格周期的，竹人耐j 骨j 小。当 周期a = 6 0 u r n 时晶体内缺陷的轮廓开始明显起来，当a = 8 0 u r n 时u r 以清楚的观察到 缺骼而当a = 1 0 0 u m 时波导完全分立开束缺陷形状更加清晰，可以清楚的看见图 第二章成像法制作光折变微结构 中央的“t ”字。与薄晶体的情i 兑相比较，厚晶体中波导的清晰度整体要小些。当 a ；2 0 u m 、3 0 u m ，4 0 u m 时，厚晶体中缺陷轮廓的清晰度比较低，目口当a = 8 0 u m 、l o o u m 时，二者区别较小。 从实验结果来看，无论庄薄、厚l i n b o ，：f e 晶体中，j 彳奄膜成像法制作的光子品 格当品格周期较d s ( 2 0 - - 4 0 u m ) 时波导的分立程度较低，在厚品体中更低，表明品格品 质较筹：而当品格用期较大( 8 0 “m 1 时，薄、厚品体中波导的分市程度都较岛，表明 品格品质较好。 2l4 对掩膜法造成薄、厚晶体中波导异同的分析 2l4i 透镜的分辨本领对波导清晰度的影响 用掩膜成像法制作光折变光子晶格时，透镜成像的质量对波导的清晰度有着决定 性的影响成像越清晰制作m 的波导清晰度越高。实验巾是根据透镜成像公式l s + i s = i f 通过调节物距来改变品格周期的，物距越大周期越小。但山瑞利判据知，任 _ 1 口径的透镜都有其终极的分辨本领，物距不能无限大否则成像模糊小滴。这就决定 了掩膜成像法制作出的光了品格的刷期存在一个下限，低于这个r 限将不能制作出品 格。 ( c li d ) i 2 - 5 制n 不q 州j 州品格肿的掩膜像与品格像 图2 - 5 ( a j 、( b ) 分别为制作l o u m 周期品格时掩膜所成的像1 j 击4 作出的品j f 像，像 面j 一相邻两点间距为i o u m 。罔2 - 5 ( c ) 、( d ) 为制作8 0 u m 周期品格时掩膜所成的豫与制 作i l ：的品格像，像而 ：相邻阿点i i i j 距为8 0 u m 。比较打掩膜成像8 0 u m 点f l j 距的 羽季 内蒙古师范大学硕士学位论文 像质远远高于i o u m 点间距