CN103760639B - 一种可制作多种二维光子晶体结构的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可制作多种二维光子晶体结构的方法，包括：发射激光束；将激光束经过多透镜部件转换成多束相干光束；使相干光束经过傅里叶变换后发生干涉，产生干涉图案；将干涉图案投射到感光材料上以在感光材料内形成光子晶体结构。本发明提高了激光束的能量利用率，同时能够可调节地制作不同周期尺度和不同面积大小的二维光子晶体结构。本发明还公开了一种可制作多种二维光子晶体结构的装置。

Description

一种可制作多种二维光子晶体结构的方法及其装置

技术领域

本发明属于光子技术领域中的光子学微结构制造领域，尤其涉及一种可制作多种光子晶体微结构的方法和装置。

背景技术

光子晶体是一种介电系数呈周期性分布的人工微结构，它是一种新型的光子材料。光子晶体存在光子带隙，这使得它能够提供一种独特的方式来控制光子的传播行为。光波在这种介电系数呈周期性分布的结构中传播时，光波的传播行为受到“光子带隙”的控制。频谱落在禁带上的电磁波将无法传播。光子晶体提供了一种新的控制光波传播的可能性，这使得它在光发射、光放大、光信号处理领域有着极大的应用潜力。

此外，光子晶体结构很容易实现装置的微型化，使控制光波的器件达到微米尺度，这样可以在一块光子芯片上集成多种功能的元件，为发展基于集成光学的光计算机打下基础。

准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶结构具有长程有序的特点并具有特定的衍射图案，然而不具有晶体所具备的平移对称性。因此准晶具有晶体结构中所不具备的某些独特的物理性质，比如旋转对称性。把准晶结构的特殊性质应用到光子晶体领域，产生了一种新的光子学微结构，叫做光子准晶。由于准晶结构存在高度的旋转对称性，所以相比于以往的周期性光子晶体，光子准晶易于呈现出各向同性的光子带隙特征。目前，在较低的折射率对比度下已经在光子准晶结构中观察到了完全的光子禁带。

复合周期结构是一类含有两种或两种以上周期排列特性的复杂结构。复合周期光子晶体是具有两种或两种以上周期特性的光子微结构。由于具有多种周期性，所以复合周期光子晶体的特性受到多种周期的影响，其光子带隙会得到较大的改善，有利于提高带隙宽度。因此光子准晶和复合周期光子晶体这两种光子微结构是更加具有应用价值的光子微结构。

目前已经存在很多种制作光子微结构的方法，如：双光子吸收、胶体自组装、半导体精密加工、离子束注入等。然而这些方法大多设备复杂或成本昂贵，生产效率较低。尤其是不适合制备具有高度对称性的光子准晶结构。这些缺点很大程度上制约了光子晶体和光子准晶研究的发展。光诱导技术是一种结合了多束相干光的干涉特性和光折变材料的激光敏感特性的方法，常用来制作光折变光子品格。光折变光子品格也是一种光子学微结构，属于光子晶体的范畴。通过不同数目的激光束干涉并辐照光折变材料，可以在材料内部形成各种各样的周期和准周期的微结构。然而随着相干光束数目的增加，会导致光路结构复杂。尤其是在制作光子准晶结构时，随着结构对称性的增加，需要更多的光束来产生干涉，这对于传统的干涉方法来说是难以实现的。

目前，虽然有一些用单一元件产生多光束干涉的方法被提出，但是这些方法往往存在着诸多不足。如：多针孔掩膜法虽然解决了产生多个相干激光光束的问题，但是由于针孔的直径非常小，所以装置的通光率非常低，绝大多数光能量都被掩膜板挡住浪费掉，只有极少数的光透过针孔参与了实际的辐照过程，这在能量利用上是非常不合算的。另外，由于针孔直径小，透过的光束也非常细，导致多束光发生干涉的区域也非常小，典型值为0.5mm²。这使得制备的光子品格的面积也很小，整个装置的制作效率比较低，不利于大批量生产。又如用棱镜台来产生多光束干涉，由于棱镜台的底面棱角是固定的，所以相干光束之间的夹角是不可调节的，只能制作单一周期尺度的结构。若要制作不同周期的结构，就需要加工不同的光学棱镜台，使生产成本剧增。

因此，上述现有的制作光子晶体的方法均存在较大的缺陷，亟需一种简单的制作多种二维光子晶体结构的方法以及结构灵活、成本低廉、易于实现的制作多种二维光子晶体结构的装置。

发明内容

本发明提出了一种可制作多种二维光子晶体结构的方法，包括如下步骤：

步骤一：发射激光束；

步骤二：将所述激光束经过多透镜部件转换成多束具有较大直径的相干光束；

步骤三：使所述相干光束经过傅里叶变换后发生干涉，产生干涉图案；

步骤四：将使所述干涉图案投射到感光材料上以在所述感光材料内形成光子晶体结构。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的方法中，在转换成多束相干光束前，所述激光束经滤波、扩束与准直。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的方法中，经滤波、扩束与准直后的激光束通过所述多透镜部件转换成多束相干光束。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的方法中，所述感光材料包括光折变晶体、光刻胶、照相底片和全息干板。

本发明还提出了一种可制作多种二维光子晶体结构的装置，包括：依次设于同一光轴上的激光器、多透镜部件、傅里叶变换透镜以及载物单元，其中

所述激光器用于发出激光束；

所述多透镜部件用于将所述激光束转换为多束相干光束；

所述傅里叶变换透镜，用于对所述多束相干光束进行傅里叶变换，使之以平面波形式发生干涉，产生干涉图案；

所述载物单元，用于放置感光材料，当所述干涉图案被投射到所述感光材料上，可以在所述感光材料内形成光子晶体结构。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的装置中，所述多透镜部件为在薄板上嵌设多个透镜而形成的多透镜板，所述多个透镜具有相同的直径和焦距。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的装置中，所述傅里叶变换透镜的前焦平面与所述多透镜部件的多个透镜的后焦平面重合。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的装置中，所述载物单元设置在所述傅里叶变换透镜的后焦平面上。

本发明提出的可制作多种二维光子晶体结构的装置中，在所述激光器和所述多透镜部件之间进一步包括空间滤波器与准直透镜；所述空间滤波器对所述激光束进行滤波与扩束，所述准直透镜对滤波与扩束后的所述激光束进行准直。

本发明的有益效果包括：

1、本发明装置结构简单，无需复杂的调节装置，仅用单个多透镜部件就实现了多束相干光束的产生，且装置稳定性强，抗机械振动效果好。

2、本发明中多透镜部件容易加工，无需昂贵的专门仪器，有效地降低了制作成本。

3、本发明的装置能够用来制作多种周期、准周期甚至复杂周期的光子微结构，所制作结构的周期尺度和面积大小可以通过改变多透镜部件上各透镜之间的相对距离以及更改傅里叶变换透镜的焦距来灵活地调整。

4、由于镶嵌的透镜孔径远大于针孔，所以该装置的通光效率远远高于前面提到的多针孔掩膜法。参与干涉的光束直径也较大，干涉面积的典型值为50.3mm²，相比于多针孔掩膜法的干涉面积提高了100倍左右，这非常有利于制作大面积的光子晶体结构，大大提高了制作效率。

5、本发明的装置适用于多种光子晶体材料的制作，可以用其他的光敏介质代替本装置中的光折变晶体，制作出各种材质的光子晶体结构。

附图说明

图1是本发明可制作多种二维光子晶体结构的方法的流程图。

图2是本发明可制作多种二维光子晶体结构的装置的结构图。

图3是多透镜部件的示意图。

图4是在傅里叶变换透镜的作用下，相干光束与装置光轴的夹角α的示意图。

图5是利用四条相干光束制作的二维的正方品格结构的示意图；其中，图5a是嵌设4块透镜的多透镜部件的示意图，图5b是在光折变晶体中制作的二维的正方品格结构图。

图6是利用五条相干光束制作的二维十倍对称的准晶结构的示意图；其中，图6a是嵌设5块透镜的多透镜部件的示意图，图6b是在光折变晶体中制作的二维十倍对称的准晶结构图。

图7是利用六条相干光束制作的复合周期结构的示意图；其中，图7a是嵌设6块透镜的多透镜部件的示意图，图7b是在光折变晶体中制作的复合周期品格的结构图。

图1-图7中，1-激光器，2-多透镜部件，3-傅里叶变换透镜，4-载物单元，5-空间滤波器，6-准直透镜，21-薄板，22-透镜。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

图1显示的是本发明可制作多种二维光子晶体结构的方法的流程图，其中包括如下步骤：

步骤一，发射激光束。根据光诱导技术的需求，为制作多种二维光子晶体结构提供激光光源。

步骤二中，将上述激光束经过多透镜部件转换成多束具有较大直径的相干光束。相干光是指具有相同振动方向、相同振动频率，及具有相同相位或恒定的相位差的多个光束。当两条以上相干光束在某一区域相遇时，该相干光束会发生干涉，从而产生干涉图案。

步骤三中相干光束通过傅里叶变换后形成多束平面波光束，这些光束汇聚于一个区域内发生干涉，产生干涉图案。

步骤四是将形成的干涉图案投射到感光材料中，相干光束诱导感光材料的内部产生与干涉图案相应的光子晶体结构。

基于上述方法，本发明还提供了一种可制作多种二维光子晶体结构的装置，其结构如图2所示。该装置中包括依次设于同一光轴上的激光器1、空间滤波器5、准直透镜6、多透镜部件2、傅里叶变换透镜3与载物单元4。

本实施例中，激光器1采用的是532nm的YAG连续激光器，其输出激光束的功率为100mW。

空间滤波器5位于准直透镜6的前焦平面上，激光束射入空间滤波器5中进行滤波及扩束，扩束后的激光束呈发散地向前投射至准直透镜6。

多透镜部件2用于将激光束转换为多束相干光束。该多透镜部件2包括一个薄板21，以及嵌设在该薄板21上的多个透镜22，其结构图如图3所示。多透镜部件2中的透镜22具有相同焦距和直径。本实施例中选用的透镜22直径为8毫米，较现有多针孔掩膜具有更高的通光效率。准直后的激光束照射到该多透镜部件2上，透过4个透镜22生成四束相干光束。

四束相干光束是先汇聚后发散的球面波，该球面波形式的相干光束传播至傅里叶变换透镜3。傅里叶变换透镜3的前焦平面与多透镜部件2的后焦平面重合，四束球面波形式的相干光束经过傅里叶变换透镜3的傅里叶变换作用后形成相同数量的平面波形式的相干光束，并在傅里叶变换透镜3的后焦平面上发生干涉，产生干涉图案。该干涉图案的干涉面积为50.3mm2，相比于多针孔掩膜法的干涉面积提高了100倍左右。

载物单元4上放置作为感光材料的掺铁铌酸锂光折变晶体。相干光束投射到该光折变晶体中，由于该晶体具有光致折射率变化特性，故相干光束诱导该晶体的内部产生与相干光束形成的干涉图案相对应的光子晶体结构。

在另外的实施例中，感光材料还包括光刻胶、照相底片、全息干板等，从而可制作各种基质类型的光子晶体、光子准晶结构。

相干光束所形成的干涉图案与相干光束的数量与位置分布、以及干涉时各相干光束的夹角有关。参阅图4，当多透镜部件2上的某个透镜距离整个装置光轴的位置d确定时，从该透镜发出的光束与光轴的夹角α由傅里叶变换透镜3的焦距决定，焦距越长，夹角α越小，反之则越大。同样，当傅里叶变换透镜3的焦距已定时，通过改变多透镜部件2上的透镜距离光轴的位置d，也能够改变光束与光轴的夹角，d越大，夹角α越大。因此，通过调节多透镜部件2中透镜22的间距，以及选用不同焦距的傅里叶变换透镜3，从而实现调整干涉的强度图案的周期大小，在感光材料内部灵活地制作出具有不同周期尺度的光子晶体结构。

如附图5a所示，多透镜部件2上镶嵌有4个透镜22，相邻透镜22之间的距离相等，通过该多透镜部件2的4束光束在傅里叶变换透镜3的后焦平面处形成干涉，诱导载物单元4上的感光材料内部形成二维的正方品格结构，制作二维的正方品格结构如图5b所示。

如附图6a所示，多透镜部件2上镶嵌有5个透镜22，相邻透镜22之间的距离相等，通过该多透镜部件2的5束相干光束在傅里叶变换透镜3的后焦平面处形成干涉，诱导载物单元4上的感光材料内部形成二维十倍对称的准晶结构，制作二维十倍对称的准晶结构如图6b所示。

如附图7a所示，多透镜部件2上镶嵌有6个透镜22，相邻透镜22之间的距离不相等，通过该多透镜部件2的6束相干光束在傅里叶变换透镜3的后焦平面处形成干涉，诱导载物单元4上的感光材料内部形成复合周期结构，制作的复合周期品格结构如图7b所示。

在上述制作过程中，控制感光材料的辐照时间和入射光束的强度还可以调节制作二维光子晶体结构的调制深度(折射率对比度)。由于感光材料中的光折变晶体具有存储和可擦除的性质，所以制作的微结构不但可以长久固定，还可以擦除并重新写入晶体，这使得通过本发明制作的光折变光子晶体具有较大的灵活性，适用于多种研究和应用。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (8)

1.一种可制作多种二维光子晶体结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：发射激光束；

步骤二：将所述激光束经过多透镜部件转换成多束相干光束；所述多透镜部件为在薄板上嵌设多个透镜而形成的多透镜板，所述多个透镜具有相同的直径和焦距；

步骤三：使所述相干光束经过傅里叶变换后发生干涉，产生干涉图案；

步骤四：将所述干涉图案投射到感光材料上以在所述感光材料内形成光子晶体结构。

2.如权利要求1所述的可制作多种二维光子晶体结构的方法，其特征在于，在转换成多束相干光束前，所述激光束经滤波、扩束与准直。

3.如权利要求2所述的可制作多种二维光子晶体结构的方法，其特征在于，经滤波、扩束与准直后的激光束通过所述多透镜部件转换成多束相干光束。

4.如权利要求1所述的可制作多种二维光子晶体结构的方法，其特征在于，所述感光材料包括光折变晶体、光刻胶、照相底片和全息干板。

5.一种可制作多种二维光子晶体结构的装置，其特征在于，包括：依次设于同一光轴上的激光器(1)、多透镜部件(2)、傅里叶变换透镜(3)以及载物单元(4)，其中

所述激光器(1)用于发出激光束；

所述多透镜部件(2)为在薄板上嵌设多个透镜而形成的多透镜板，所述多个透镜具有相同的直径和焦距，用于将所述激光束转换为多束相干光束；

所述傅里叶变换透镜(3)，用于对所述多个相干光束进行傅里叶变换，使之以平面波形式发生干涉，产生干涉图案；

所述载物单元(4)，用于放置感光材料，将所述干涉图案投射到所述感光材料上以在所述感光材料内形成光子晶体结构。

6.如权利要求5所述的可制作多种二维光子晶体结构的装置，其特征在于，所述傅里叶变换透镜(3)的前焦平面与所述多透镜部件(2)的多个透镜的后焦平面重合。

7.如权利要求5所述的可制作多种二维光子晶体结构的装置，其特征在于，所述载物单元(4)设置在所述傅里叶变换透镜(3)的后焦平面上。

8.如权利要求5所述的可制作多种二维光子晶体结构的装置，其特征在于，在所述激光器(1)和所述多透镜部件(2)之间进一步包括空间滤波器(5)与准直透镜(6)；所述空间滤波器(5)对所述激光束进行滤波与扩束，所述准直透镜(6)对滤波与扩束后的所述激光束进行准直。