CN106842378A - 一种制作大面积光子晶体的方法 - Google Patents

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张雪华
李林
李红
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Abstract

本发明提供了一种制作大面积光子晶体的方法，步骤如下：（1）将若干楔形棱镜镶嵌在平板上，楔形棱镜的底边朝向平板的中心，制成多楔镜板；（2）将激光器（1）发出的激光束经扩束镜扩束，将扩束后的光照射到步骤（1）制成的多楔镜板上，光束经过多楔镜板后照射到光敏材料上，经过曝光，得到光子晶体。本发明将大面积的多光束干涉强度图案投射到光敏材料上即可制作出具有较大面积的光子晶体结构。通过适当的设计多楔镜板，该装置可以灵活的制作不同周期尺度、不同形状的光子晶体结构。该方法和装置适合应用于大面积光子晶体结构的加工制造。

Description

一种制作大面积光子晶体的方法
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，尤其涉及一种制作大面积光子晶体的方法和装置。
背景技术
光子微结构作为一类性能优异的人工微结构材料，在实现人为操控光子运动方面具有十分诱人的应用前景。光子微结构的定义非常宽泛，涵盖了多种材料结构。这些材料结构具有一些基本的共同特点，即在原本均匀的光学介质中通过人工的手段产生折射率调制或突变，并且使这些调制和突变的空间尺度与光波的波长相比拟。介质的折射率在经过调制和突变后，其光学性质与以前相比发生了显著的变化，会产生一些在均匀光学介质中从未出现过的新现象。例如，当光波在光子微结构材料中传播时，光波的传输行为和模式会受到微结构的调制作用而出现分立化，呈现出明显的“粒子性”特点，符合准动量守恒和能量守恒的关系，从而出现反常衍射、反常折射、分立孤子等奇特的现象。这些新现象和新效应加深了人们对光波本质的认识，为控制光波的传输行为提供了新的思路。使人们能够以新的方式操控光子运动，有助于光子技术进一步走向实用化。光子微结构涵盖的种类非常丰富，例如多层介质膜、Bragg光纤光栅、微结构光纤、波导阵列、光学微谐振腔等，其中光子晶体是一种最典型的光子微结构。光子晶体存在光子带隙，光波在光子晶体中传播时，其传输行为受到“光子带隙”的控制，频谱落在禁带上的电磁波将无法传播，因此，光子晶体为控制光波传播提供了一种新的可能。利用光子晶体的这一特性，可以研制出一系列全新原理的高性能光子器件。这有望取代大部分传统光学器件，在全光通信、光互连、光信号处理、光子芯片等信息科学相关领域发挥重要的作用。
光子晶体结构中折射率调制的空间尺度与光波波长相比拟，在这个尺度上进行材料的精密加工需要制备工艺满足较高的要求。目前典型的光子晶体制备技术主要有半导体精密加工、电子束光刻、激光直写技术以及反蛋白石法等。这些制备方法虽然在不同程度上实现了光子晶体结构的制作，但是大部分都存在设备复杂，工艺繁琐、成本昂贵，生产效率较低的缺点，这限制了光子晶体实用化的进一步推广。因此，如何提高光子晶体的制备效率，高效的制作出具有较大面积的光子晶体结构是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提出了一种可制作大面积光子晶体的方法和装置。该方法的装置结构简单，易于加工，稳定性好，灵活性高，可高效率的制作多种大面积的光子晶体结构。
实现本发明的技术方案是：一种制作大面积光子晶体的方法，步骤如下：
（1）将若干楔形棱镜镶嵌在平板上，楔形棱镜的底边朝向平板的中心，制成多楔镜板；
（2）将激光器（1）发出的激光束经扩束镜扩束，将扩束后的光照射到步骤（1）制成的多楔镜板上，光束经过多楔镜板后照射到光敏材料上，经过曝光，得到光子晶体。
所述步骤（1）中楔形棱镜至少设置两个，每个楔形棱镜的尺寸、楔角等参数都相等，且每个楔形棱镜底边到平板中心的距离都相等，即它们处于一个同心圆上。
所述步骤（2）光敏材料可以是光折变晶体、光刻胶、照相底片或全息干板中的任意一种。
所述步骤（2）中激光器、扩束镜、楔形棱镜所在同心圆的圆心和光敏材料处于同一光轴上。
将若干具有相同参数规格（楔角相同，尺寸相等）的楔形棱镜镶嵌到一块薄平板上，保证每个楔形棱镜的底边都向着平板的中心方向。在宽平行光的辐照下，每个镶嵌楔形棱镜的部分都会有光束透过。由于楔形棱镜只改变光束的传播方向而不改变其波前形状，所以透过楔形棱镜的光束是一系列平面波，并且每束光都会向靠近平板中心的位置偏转。在平板中心法线方向的一定位置处这些偏转光束会发生叠加，从而产生干涉。由于楔形棱镜的通光孔径较大，所以干涉光场就具有较大的面积。这样一个镶嵌有N个楔形棱镜的多楔镜板就可以实现N束光的大面积干涉。将多楔镜板产生的大面积多光束干涉光强图案投射到光敏材料上，经过适当的曝光，就能在材料中形成与干涉强度图案相对应的折射率微结构，即大面积的光子晶体结构。通过合理的设定平板上楔形棱镜的个数和几何配置，可以实现不同类型的大面积多光束干涉，从而在光敏材料中制作出多种大面积的光子晶体结构。
楔形棱镜的材质是光学玻璃，光学玻璃质地均匀，具有良好的透光性，系统的通光效率很高，光能量损失少。
本发明楔形棱镜对光束的偏转作用满足关系式θ=(n-1)α（n为楔形棱镜介质的折射率，α为楔形棱镜的楔角）。改变楔角α，可以灵活地实现光束的各种偏转角度θ。在当前的光学元件加工技术下，楔形棱镜的楔角可以方便的加工成任意的角度，加工不同楔角的楔形棱镜成本相近，可批量化生产。因此，用楔形棱镜可以灵活的制作各种不同周期的结构，而不显著增加成本。
本发明的有益效果是：1）用单个多楔镜板产生了大面积的多光束干涉，装置简单，无需复杂调节；2）装置稳定性强，抗机械振动效果好，易于加工，制作成本低；3）制作的光子晶体具有较大的面积。镶嵌的楔形棱镜具有较大的通光孔径，可以产生大面积的干涉图案，制作出大面积的光子晶体。以镶嵌有尺寸为15mm×15mm的楔形棱镜的四楔镜板为例，其制作的光子晶体面积可超过200mm2，大大提高了制作效率。4）装置灵活性强，通过设定平板上楔形棱镜的个数和几何配置，可以制作出多种大面积的光子晶体结构。制作的光子晶体结构的周期大小可以通过改变楔形棱镜的楔角来进行调整；5）本发明的装置适用于多种光子晶体材料的制作，其光敏材料可以是光折变晶体、全息干板、光刻胶、照相底片等多种感光介质，利用该装置可以制作出各种材质的大面积光子晶体结构。
附图说明
图1是本发明楔形棱镜镶嵌方式的示意图（以四楔镜板为例）；
图2是实施例1三楔镜板结构示意图和利用三楔镜板制作的大面积二维三角晶格光子晶体结构；
图3是实施例2中四楔镜板结构示意图和利用四楔镜板制作的二维四方晶格光子晶体结构；
图4是实施例3中五楔镜板结构示意图和利用五楔镜板制作的二维光子准晶结构；
图5是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的方法和装置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是以四个楔形棱镜为例，在平板上进行镶嵌的结构示意图，图a和b是四个楔形棱镜的几何关系配置图；c是四楔镜板的示意图。
激光源的选择可以是可见光波段和近红外波段的任意波长，这取决于光敏材料的响应范围。
通过合理设定平板上楔形棱镜的个数和几何配置，以及设计不同的楔形棱镜参数，可以实现不同数目的大面积多光束干涉，从而制作出具有不同周期尺度的光子晶体、光子准晶结构。
楔形棱镜的个数X决定了制作光子晶体结构的形状特点。当X=2, 3, 4, 6时，制作出的是周期性的光子晶体结构。而当X=5，或者X≥7时，制作出的是准周期性的光子准晶结构。
楔形棱镜的尺寸影响着干涉光场面积的大小，楔镜的尺寸越大制作出的光子晶体结构面积越大。楔形棱镜的楔角角度影响着光子晶体结构的周期大小，楔角的角度越大，制作的光子晶体结构周期常数越小。
实施例1
本实施例以镶嵌有三个楔形棱镜的三楔镜板为例，制作大面积的二维三角晶格光子晶体，具体方法如下：
（1）将三个尺寸为18mm×18mm，楔角为3.5°的楔形棱镜镶嵌在平板上，楔形棱镜的底边朝向平板的中心，楔形棱镜处于一个同心圆上，这样能保证光束在经过楔形棱镜后都向着平板中心的法线方向发生偏折，光束的偏折角度由楔形棱镜的楔角决定，制成多楔镜板3；
（2）将激光器1发出的激光束经扩束镜2扩束，将扩束后的光照射到步骤（1）制成的多楔镜板3上，光束在透过多楔镜板上的楔形棱镜传播时都会朝着楔形棱镜的底边方向发生偏折，并仍然保持平面波的状态，由于多楔镜板上镶嵌的楔形棱镜具有相同的尺寸，所以这些光束也具有相同的直径，在多楔镜板中心法线方向的一定距离处，这些透过多楔镜板传播的光束会发生叠加，进而产生大面积的干涉光场；将光敏材料4放置在该干涉光场中，经过适当的曝光，就能形成与干涉强度图案相对应的大面积光子晶体结构。这里采用的光敏材料4是掺铁铌酸锂光折变晶体，在晶体中制作出的二维三角晶格光子晶体的面积约为230mm2。
本实施例中使用的激光源是532nm的Nd:YAG固态激光器，功率为100mW。其中激光器1、扩束镜2、多楔镜板3和光敏材料4设于同一光轴上。
如图2所示，其中图a是三楔镜板的示意图，图b是三楔镜板制作的大面积二维三角晶格光子晶体。
实施例2
本实施例将镶嵌的楔形棱镜设置为4个，楔镜的尺寸为15mm×15mm，楔角为3.3°，如图3中a所示。其余制备方法同实施例1，在光折变晶体中制作出的二维四方晶格光子晶体的面积约为200mm2。如图3中b所示，本实施例利用四楔镜板制作的二维四方晶格光子晶体。
实施例3
本实施例将镶嵌的楔形棱镜设置为5个，楔镜的尺寸为12mm×12mm，楔角为3°，如图4中a所示。其余制备方法同实施例1，在光折变晶体中制作出的二维光子准晶结构的面积约为100mm2。如图4中b所示，本实施例利用五楔镜板制作的二维光子准晶结构。
实施例4
本实施例将前面三个实施例中的光敏材料4换成光刻胶、全息干板等其他类型的光敏材料，可制作其他基质的光子晶体、光子准晶结构。

Claims (4)

1.一种制作大面积光子晶体的方法，其特征在于步骤如下：
（1）将若干楔形棱镜镶嵌在平板上，楔形棱镜的底边朝向平板的中心，制成多楔镜板（3）；
（2）将激光器（1）发出的激光束经扩束镜（2）扩束，将扩束后的光照射到步骤（1）制成的多楔镜板（3）上，光束经过多楔镜板（3）后照射到光敏材料（4）上，经过曝光，得到光子晶体。
2.根据权利要求1所述的制作大面积光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤（1）中楔形棱镜至少设置两个，楔形棱镜处于一个同心圆上。
3.根据权利要求1所述的制作大面积光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤（2）光敏材料（4）是光折变晶体、光刻胶、照相底片或全息干板中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的制作大面积光子晶体的方法，其特征在于：所述步骤（2）中激光器（1）、扩束镜（2）、楔形棱镜所在同心圆的圆心和光敏材料（4）设于同一光轴上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110441834A (zh) * 2018-06-07 2019-11-12 华东师范大学 三维光子晶体晶格周期及排列规则的控制方法和控制装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1688032A (zh) * 2005-06-10 2005-10-26 厦门大学 在发光二极管中制备光子晶体的方法及其装置
JP2005316233A (ja) * 2004-04-30 2005-11-10 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> フォトニック結晶構造作成方法および装置
CN1920614A (zh) * 2005-08-25 2007-02-28 中国科学院西安光学精密机械研究所 用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备和方法
CN202013486U (zh) * 2010-12-28 2011-10-19 郑州大学 单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005316233A (ja) * 2004-04-30 2005-11-10 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> フォトニック結晶構造作成方法および装置
CN1688032A (zh) * 2005-06-10 2005-10-26 厦门大学 在发光二极管中制备光子晶体的方法及其装置
CN1920614A (zh) * 2005-08-25 2007-02-28 中国科学院西安光学精密机械研究所 用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备和方法
CN202013486U (zh) * 2010-12-28 2011-10-19 郑州大学 单折射棱镜大面积制作光子晶体和光子准晶的装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110441834A (zh) * 2018-06-07 2019-11-12 华东师范大学 三维光子晶体晶格周期及排列规则的控制方法和控制装置

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