CN103885119A - 可调谐光子晶体的制造方法和可调谐光子晶体 - Google Patents

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单鸣雷
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Abstract

本发明公开了一种可调谐光子晶体的制造方法和可调谐光子晶体，含有纳米颗粒的胶体溶液如磁流体被注入到液芯双面金属包覆波导结构中形成导波层；通过自由空间耦合技术在波导结构中激发出超高阶导模，并利用超高阶导模的光场增强效应来实现对纳米粒子的光捕获。由于超高阶导模在导波层中形成周期性的场强分布，胶体溶液中的粒子在光镊效应的作用下将会自组装形成规则的周期性疏密结构，即可调谐光子晶体。通过改变泵浦光的强度、入射角等参数可以实现对光子晶体结构的调制，从而改变该光子晶体的光子带隙。本发明所制备的可调谐光子晶体，成本低、制备周期短。

Description

可调谐光子晶体的制造方法和可调谐光子晶体
技术领域
本发明属于激光和纳米材料技术领域，涉及一种可调谐光子晶体的制造方法和可调谐光子晶体，特别是涉及一种基于液芯双面金属包覆波导结构的自组装一维光子晶体的制造方法和该制造方法所产生的光子晶体。
背景技术
随着变换光学的提出和蓬勃发展，对光子晶体、超材料等结构周期与光波长量级相当的微结构的研究也日益增多。各种周期性微结构被广泛的运用在纳米光学领域，传感检测领域，光通信领域以及生物化学医药领域。其中，基于光子晶体的理论，光波长量级的周期性结构可以形成光子禁带，对应波长的光不能实现在其中传输。利用这一特性，可以有效地对光波的传输路线进行限制和调控，甚至实现光线的直角转弯。目前在激光研究领域，基于光子晶体材料设计的新型光子器件包括调制器，光开关，分路器，传感器等等。
目前光子晶体的设计和制造主要还是在实验室中，主要采用微机械加工、光刻和蚀刻技术，但是这些技术由于工艺复杂，价格昂贵，耗时长等原因而无法大批量生产，和上述制备方法相比，自组装制备方式具有无可比拟的优势。另外，上述工艺制造的光子晶体一旦成形，它的结构参数就无法改变，因此普通的光子晶体只能实现特定的功能，极大地制约了它们的实际应用范围。针对这一缺陷，将可调性引入光子晶体材料就显得至关重要。目前已经报道的对光子晶体晶格常数或折射率的调控手段包括机械控制，电控，温控，以及磁控。目前，能够采用自组装方式制备光子晶体的材料主要包括SiO2胶体，液晶，纳米磁流体等；而自组装的手段主要为化学手段，或者采用外加磁场或者电场的方式，利用光场来促进胶体溶液中的颗粒自组装成周期性微观结构的研究还不多见，而光致自组装生成的光子晶体在未来的全光通讯网络中具有易于集成，速度快等优势。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种利用光场促进胶体在波导模场中自组装制备的可调谐光子晶体的制备方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。
一种可调谐光子晶体的制造方法，该方法包括以下步骤：
ⅰ.提供一种液芯双面金属包覆波导结构，该波导结构包括金属耦合层、上层光学玻璃片、样品室、金属衬底层和下层光学玻璃片，所述金属耦合层沉积在所述上层光学玻璃片上，所述金属衬底层沉积在所述下层光学玻璃片上，所述样品室设置在所述上层光学玻璃片和所述金属衬底层之间；
ⅱ.制备含有纳米颗粒的胶体溶液；
ⅲ.将胶体溶液注入到所述液芯双面金属包覆波导结构的样品室中，所述上层光学玻璃片和注入到样品室的胶体溶液形成导波层；
ⅳ.用泵浦激光器以自由空间耦合的方式聚焦入射在所述液芯双面金属包覆波导结构的上表面，以在所述导波层激发出周期性分布的超高阶导模，胶体溶液中的纳米颗粒在光镊效应作用下被俘获在场强强度较高的区域，从而自组装形成周期性分布的光子晶体。
进一步地，所述上层光学玻璃片和所述金属衬底层之间设置有一玻璃板，所述玻璃板上设置有一圆形孔形成样品室，所述玻璃板的侧壁上设置有与所述样品室相连通的进样通道，所述上层光学玻璃片、下层光学玻璃片和玻璃板通过光胶粘接成一体，胶体溶液通过进样通道注入到样品室后封闭所述进样通道。
进一步地，所述泵浦激光器的波长为650nm，功率为20mW。
进一步地，泵浦激光器以自由空间耦合的方式聚焦入射在反射谱线的共振吸收峰的底部，激光的入射角小于40°。
进一步地，所述胶体溶液为纳米磁流体分散溶液。
进一步地，所述金属耦合层的厚度为20-40nm，所述金属衬底层的厚度＞100nm，所述样品室的厚度为0.7mm。
进一步地，在光频范围内，所述金属耦合层和所述金属衬底层的介电常数实部εr＜-8.0，其介电常数虚部εi＜15.0。
进一步地，所述金属耦合层和所述金属衬底层由金或银制成。
进一步地，所述上层光学玻璃片和所述下层光学玻璃片的折射率均为1.507，所述上层光学玻璃片的厚度为0.3mm，所述下层光学玻璃片的厚度为1mm。
本发明还进一步提供上述制造方法所产生的可调谐光子晶体。
本发明的有益效果是：第一、本发明用波导结构的模场作用在胶体中的纳米粒子上，是一种光致自组装的方式，可以很方便的集成在全光芯片中；第二、将胶体溶液密封在波导结构内部，无需换样，降低成本；第三、响应速度快，基于光镊效应对粒子的俘获通常在秒的量级内完成；第四、调制的手段多样，实现方便，所制备的光子晶体可以运用于不同的场合。
附图说明
图1为本发明的液芯双面金属包覆波导结构的结构分解示意图。
图2为本发明的胶体在波导模场中自组装制备的可调谐光子晶体的原理图。
图3为本发明的光学检测实验平台的示意图。
图4为实施例1得到的探测光在开关泵浦光条件下的强度变化图。
图5为实施例2得到的探测光在开关泵浦光条件下的侧向位移变化图。
图中，1-下层光学玻璃片，2-金属衬底层，3-玻璃板，4-样品室，5-进样通道，6-上层光学玻璃片，7-金属耦合层，8-导波层，9-胶体层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的可调谐光子晶体制造方法中，首先，提供一种液芯双面金属包覆波导结构，如图1所示，该波导结构包括金属耦合层7、上层光学玻璃片6、样品室4、金属衬底层2和下层光学玻璃片1，金属耦合层7沉积在上层光学玻璃片6上，金属衬底层2沉积在下层光学玻璃片1上，上层光学玻璃片6和金属衬底层2之间设置有一玻璃板3，玻璃板上设置有一圆形孔，该圆形孔形成样品室4，玻璃板3的侧壁上设置有两个与样品室4相连通的进样通道5，上层光学玻璃片6、下层光学玻璃片1和玻璃板3通过光胶粘接成一体。
上下层光学玻璃片选用高折射率抛光玻璃片（K9，N=1.507），上层光学玻璃片的厚度为0.3mm，下层光学玻璃片的厚度为1mm，金属耦合层的厚度为33nm，样品室的厚度为0.7mm，金属衬底层的厚度＞100nm，优选为100-200nm，超过100nm厚的金属衬底层作为波导结构的衬底，能够防止能量通过结构的底部从导波层中泄露出去。金属的介电常数ε=εr+iεi，本发明选用介电常数实部εr＜-8.0，介电常数虚部εi＜15.0的金或银等贵金属。
其次，制备含有纳米颗粒的胶体溶液，胶体溶液是指一定大小的固体颗粒药物或高分子化合物分散在溶媒中所形成的溶液。其质点一般在1～100纳米之间，分散媒大多数为水，少数为非水溶媒。研究表明，光场对于液体环境中的纳米颗粒具有很强的俘获力。本发明中所使用的胶体溶液优选为含有平均粒径为10nm的纳米粒子的磁流体溶液。
再次，将胶体溶液注入所述液芯双面金属包覆波导结构中的样品室中，如图2所示，上层光学玻璃片6和注入到样品室的胶体层9形成导波层8。
最后，用波长为650nm、功率为20mW的泵浦激光器以自由空间耦合的方式聚焦入射在所述液芯双面金属包覆波导结构的上表面，超高阶导模就会被激发出来，原本被反射的能量会耦合到激发的导模之中，从而在反射谱线中对应耦合角度的位置形成一个共振峰。入射部位可以选择在共振吸收峰的底部，入射角的角度小于40°，泵浦激光入射到波导表面时，在满足相位匹配的条件下耦合进导波层，以在所述导波层激发出周期性分布的超高阶导模，激发出的超高阶导模以振荡场的形式沿着导波层传输，如图2所示，胶体溶液中的纳米颗粒在光镊效应作用下被俘获在场强强度较高的区域，从而自组装形成周期性分布的光子晶体。
由于特殊的金属包覆波导结构（金属耦合层的厚度为20-40nm，金属衬底层的厚度大于100nm），超高阶导模在两层金属膜之间的导波层中以振荡场的形式存在，由于波导结构的场增强效应，具有很高的光场强度，从而保证了光场强的区域对胶体中颗粒具有很大的俘获能力。
为了证明该光子晶体的可调特性，需要借助光学检测实验平台，用另外一束激光，以下称为探测激光。如图3所示，650nm的激光器作为泵浦光经过偏振片，小孔获得准直激光以小角度入射到液芯双面金属包覆波导结构的表面。通过自由空间耦合技术在波导结构中激发出超高阶导模，并利用超高阶导模的光场增强效应来实现对纳米粒子的光俘获。850nm的激光器作为探测光，经过偏振片，两个直径为1mm的小孔通过光电探测仪获得信号。由于超高阶导模在导波层中形成周期性的场强分布，磁流体中的粒子在光陷阱效应的作用下将会自组装形成规则的周期性疏密结构，即光致可调光子晶体。
该实验平台能够使探测激光以不同的入射角度聚焦入射在波导表面，用光电探测器检测探测光的反射强度的变化，还可以用PSD位移传感器检测探测光的侧向位移的变化情况。改变泵浦光的参数，比如强度、入射角或波长，就会改变其所激发的超高阶导模的光场分布情况，从而改变纳米磁性颗粒的周期性分布，最后由于光子晶体的结构参数的改变，间接实现了对探测光的光学特性的全光调制。
本发明所涉及的对光子晶体结构参数的全光调制方法，包括以下几种：
第一，改变泵浦光的强度，会改变液芯波导结构中激发的超高阶导模的光场强度，从而影响周期性分布的光场对纳米颗粒的俘获能力，从而改变在场强高的区域和场强低的区域的磁性颗粒的分布浓度，相当于改变了构成光子晶体的两种材料的折射率。
第二，改变泵浦光的入射角，会改变所激发的超高阶导模的模阶序数，改变光场周期性分布的周期，从而改变光子晶体的周期长度。
第三，改变泵浦光的波长，也会改变导波层内周期性分布的光场的周期长度，从而改变光子晶体的周期长度。
通过改变泵浦激光的入射角，波长，强度等等，可以实现对颗粒周期性微结构的调制。
实施例1
本实施例选用光电探测器来检测探测光的反射率的变化情况，如图3所示，在没有开探测光的前提下，旋转θ/2θ转台，同时观察光电探测器测得的泵浦光的光强，使得光强达到最小值。打开探测光，并使用光电探测器记录探测光的反射率的变化，关闭泵浦光，光电探测器测得的信号随之变化，在测得信号稳定以后，打开泵浦光，直到信号再一次稳定，重复以上步骤，可以探测到如图4所示的光反射率被开关泵浦光所调制的效果。
由图4可见，探测光的反射率会随着是否施加泵浦场而变化，其反射光强从没有施加泵浦场的7.32变化到施加泵浦场的2.94左右。其响应时间在毫秒量级，表现出良好的可调制性。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例采用了PSD位移传感器来记录探测光的反射光束的侧向位移的变化情况。在没有打开探测光的前提下，旋转θ/2θ转台，同时观察光电探测器测得的泵浦光的光强，使得光强达到最小值。打开探测光，并使用PS传感器记录探测光的反射光的侧向位移变化，关闭泵浦光，光电探测器测得的信号随之变化，在测得信号稳定以后，打开泵浦光，直到信号再一次稳定，重复以上步骤，可以探测光反射光的侧向位移随着开关泵浦光所调制的效果，该效果如图5所示。
由图5可见，探测光的反射光的侧向位移会随着是否施加泵浦场而变化，其侧向位移从没有施加泵浦场的526mm左右变化到施加泵浦场的481mm，其响应时间在毫秒量级，表现出良好的可调制性。
本发明是通过将胶体溶液注入液芯双面金属包覆波导结构，再利用外加光场来实现微观颗粒的周期性分布。该方式为全光调制方式，不需要使用额外的磁场，电场，化学催化剂等，该方式具有成本低，制备简便，响应速度快，可集成化等优点，可广泛运用于激光调制，传感检测等领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种可调谐光子晶体的制造方法，该方法包括以下步骤：
ⅰ.提供一种液芯双面金属包覆波导结构，该波导结构包括金属耦合层、上层光学玻璃片、样品室、金属衬底层和下层光学玻璃片，所述金属耦合层沉积在所述上层光学玻璃片上，所述金属衬底层沉积在所述下层光学玻璃片上，所述样品室设置在所述上层光学玻璃片和所述金属衬底层之间；
ⅱ.制备含有纳米颗粒的胶体溶液；
ⅲ.将胶体溶液注入到所述液芯双面金属包覆波导结构的样品室中，所述上层光学玻璃片和注入到样品室的胶体溶液形成导波层；
ⅳ.用泵浦激光器以自由空间耦合的方式聚焦入射在所述液芯双面金属包覆波导结构的上表面，以在所述导波层激发出周期性分布的超高阶导模，胶体溶液中的纳米颗粒在光镊效应作用下被俘获在场强强度较高的区域，从而自组装形成周期性分布的光子晶体。
2.根据权利要求1所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，所述上层光学玻璃片和所述金属衬底层之间设置有一玻璃板，所述玻璃板上设置有一圆形孔形成样品室，所述玻璃板的侧壁上设置有与所述样品室相连通的进样通道，所述上层光学玻璃片、下层光学玻璃片和玻璃板通过光胶粘接成一体，胶体溶液通过进样通道注入到样品室后封闭所述进样通道。
3.根据权利要求1或2所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，所述泵浦激光器的波长为650nm，功率为20mW。
4.根据权利要求3所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，泵浦激光器以自由空间耦合的方式聚焦入射在反射谱线的共振吸收峰的底部，激光的入射角小于40°。
5.根据权利要求4所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，所述胶体溶液为纳米磁流体分散溶液。
6.根据权利要求4或5所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，所述金属耦合层的厚度为20-40nm，所述金属衬底层的厚度＞100nm，所述样品室的厚度为0.7mm。
7.根据权利要求6所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，在光频范围内，所述金属耦合层和所述金属衬底层的介电常数实部εr＜-8.0，其介电常数虚部εi＜15.0。
8.根据权利要求7所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，所述金属耦合层和所述金属衬底层由金或银制成。
9.根据权利要求7或8所述的可调谐光子晶体的制造方法，其特征在于，所述上层光学玻璃片和所述下层光学玻璃片的折射率均为1.507，所述上层光学玻璃片的厚度为0.3mm，所述下层光学玻璃片的厚度为1mm。
10.一种由上述权利要求中的任何一项方法所产生的可调谐光子晶体。
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