CN114815440A - 一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其属于光子器件制备技术领域，将准无衍射光束照射到SBN晶体内部，利用SBN晶体的光折变非线性效应光诱导在晶体内部产生光子波导结构，再通过改变光束的空间位置，在SBN晶体的不同位置产生相应的周期波导阵列，一旦制备完成周期波导阵列，就可以构造更加准确的探测光束进行探测。优选地，本发明方法可以在2cm内写入任何直波导拓扑结构，光束的直径可达25微米至30微米。

Description

一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法

技术领域

本发明属于光子器件制备技术领域，具体涉及一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法。

背景技术

SBN(铌酸锶钡)晶体是一种优良的光折变材料，通常情况在室温以及黑暗的环境下，利用外加电场和弱光即可在其内部构建光波导阵列，然而波导阵列的形状以及大小极大依赖于所构建的线性光束。

现有技术中，基于SBN平台制备光子波导阵列的实验技术主要通过实空间实现，其具体实验通常有两种制备方法：(1)平面波干涉方法，该方法可产生周期性的特定波导阵列，且所制备的光子微结构周期最小可达9μm，但该方法受限于特定的周期性结构，也就是说无法生成任意周期性或者非周期性的波导阵列；(2)基于实空间高斯光束的连续激光直写技术；该方法较为灵活，可产生任意周期性或者非周期性的光子微结构，其制备思想类似于飞秒激光直写技术。实验上利用空间光调制器设计出高斯光束，通过程序控制光束的位置，直到将其放置SBN晶体的中心，利用高斯光束无衍射的区域在晶体中逐点书写光波导。该方法受限于高斯光束的无衍射区域长度，一旦超过一定距离，该光束发生明显的扩散现象，由此在较长的距离内构造小周期性的光子微结构中存在一定的挑战。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法。

依据本发明技术方案，提供一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其包括以下步骤：

步骤S1：搭建光路系统；

步骤S2：检查步骤S1中搭建的光路系统中的SBN晶体是否干净以及是否放置准确位置，并再次确认SBN晶体的前后表面位置；

步骤S3：关闭室内灯光，保持黑暗环境以确保SBN晶体可以正常写入光波导；

步骤S4：设计光束模板并将光束模板加载在空间光调制器的液晶面板上；

步骤S5：依据步骤S4得到的光束，将构造好的依据步骤S4得到的光束图样照射在SBN晶体的前表面，并通过成像系统检查从SBN晶体前表面到SBN晶体后表面的过程中，确保光束图样基本保持不变；

步骤S6：打开激光器，激光器发出的激光经过准直扩束单元和第一双胶合消色差透镜组成的扩束系统产生平面波；平面波经过扩束系统后的第一分光棱镜照射到所述空间光调制器上，进而实现预先模板的调制。

进一步地，基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法进一步包括步骤S7：旋转第一半波片调节写入光为o光，o光为寻常光。

优选地，所述o光在晶体中传播时，不管光从哪个方向入射，折射率都是固定不变的，表现出各向同性的性质。

进一步地，基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法进一步包括步骤S8，在光束图样照射SBN晶体同时，打开高压直流电源，在非线性作用下受到相位调制的光束在SBN晶体中形成光波导。

优选地，高压直流电源位于光路之外，需用电线将正负电极连接晶体正负两极，当开始准备制备光子晶格时打开高压直流电源。

更进一步地，基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法进一步包括步骤S9：在所制备的光子微结构完成之后，关闭高压直流电源，降低光强到uw级别，将平面波相位模板加载到空间光调制器上，撤掉第四双胶合消色差透镜。

更进一步地，基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法进一步包括步骤S10：旋转第一半波片调节探测光为e光，e光为非寻常光。

优选地，e光为一种线偏振光，其振动方向与o光垂直，导致朝向不同方向传播时，会出现不同的折射率。

更优选地，旋转第一半波片调节探测光为e光，使得平面波通过第二双胶合消色差透镜、第三双胶合消色差透镜以及狭缝和第一半波片照射到SBN晶体上，成像系统将光子晶格信息传递给计算机。

更进一步地，基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法进一步包括质量核查步骤S11：通过计算机观测光子晶格，质量基准为光子晶格呈现较为均匀的分布且图案清晰、无明显变形和缺陷。

相比较现有技术，一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法具有以下有益效果：

1、本发明基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，利用纯相位型空间光调制器同时调控光束的相位与振幅信息，不仅可以产生较长距离(大约2cm-5cm)准无衍射光束，而且能够更加精准的调控探测光束的模式分布。

2、本发明基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法可以在2cm内写入任何直波导拓扑结构，光束的直径可达25μm-30μm，可有效克服实空间高斯光束的连续激光直写技术的局限。

3、本发明基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法灵活，结构灵活，方便易用。

附图说明

图1为依据本发明基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法的所使用的实验光路示意图；

图2为依据本发明方法的利用纯相位型空间光调制器同时调控光束的相位与振幅信息，在频谱空间产生距离大约为2.5cm准无衍射光束的模拟结果图；

图3为利用图2的光束在图1的实验光路图的基础上制备的2D-SSH光子晶格实验图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的设计方案，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体实验方法或具体参数。

本发明公开了一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，本发明方法基于频谱空间利用纯相位型空间光调制器同时调控光束的相位与振幅信息，不仅可以产生较长距离(大约2cm-5cm)准无衍射光束，而且能够更加精准的调控探测光束的模式分布。本发明方法将准无衍射光束照射到SBN晶体内部，利用SBN晶体的光折变非线性效应光诱导在晶体内部产生光子波导结构，再通过改变光束的空间位置，在SBN晶体的不同位置产生相应的周期波导阵列，一旦制备完成周期波导阵列，就可以构造更加准确的探测光束进行探测。优选地，本发明方法可以在2cm内写入任何直波导拓扑结构，光束的直径可达25μm-30μm。

如图1所示的光路系统，其为本发明的一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法所使用的光路系统，其包括激光器1、准直扩束单元2、第一双胶合消色差透镜3(焦距为200mm)、狭缝4、空间光调制器5、第一分光棱镜6、第二双胶合消色差透镜7(焦距为150mm)、傅里叶面8、第一半波片9、第三双胶合消色差透镜10(焦距为300mm)、第四双胶合消色差透镜11(焦距为100mm)、SBN晶体12、第五双胶合消色差透镜13(焦距为100mm)、第二分光棱镜14、第一反射镜15和第二反射镜18、第六双胶合消色差透镜16(焦距为100mm)、第二半波片17、照相机19、高压直流电源20。

激光器1，其用于发出激光，本优选实施例中采用532nm的固体激光器；

准直扩束单元2，位于激光器1的后面。激光器发出的光通过准直扩束单元2产生质量较好的点光源光束；

第一双胶合消色差透镜3，位于准直扩束单元2的后面。经过装置2的光束呈现以点为圆心的扩散光束，装置3将其转化为准平面波，从而保证光束的等相位为平行的平面，便于后期空间光调制器5对光束进行相位调制，其焦距优选为200mm；

狭缝4，位于第一双胶合消色差透镜3的后面，用于滤除来自其他位置反射的杂光；

空间光调制器5，位于与激光器1所在光路的垂直方向的最左端。其用于对来自激光器1的光源进行相位调制，从而产生阵列光与探测光；

第一分光棱镜6，位于激光器1所在的光路和空间光调制器5所在的光路交叉点处，用于等能量的分离光束，分别为沿着激光器1的光束与沿着空间光调制器5的光束；

第二双胶合消色差透镜7，位于第一分光棱镜6的后面。其用于将经过空间光调制器的光束转化为傅里叶空间，其焦距优选为150mm；

傅里叶面8，位于第二双胶合消色差透镜7的焦点处，其用于滤波，选出被调制的光束；

第一半波片9，位于傅里叶面8的后面。其用于改变光束的偏振特性；

第三双胶合消色差透镜10，位于第一半波片9的后面，与第四双胶合消色差透镜11构成4F系统，其用于缩小光束的作用，其焦距优选为300mm；

第四双胶合消色差透镜11，与第四双胶合消色差透镜11构成4F系统，其用于缩小光束的作用，其焦距优选为100mm；

SBN晶体12，位于第四双胶合消色差透镜11的焦距附近，是本系统中光子微结构制备的基底；

第五双胶合消色差透镜13，位于SBN晶体12的后面，其与照相机19组成呈像系统，用于观测所构造的光子微结构，其焦距优选为100mm；

第二分光棱镜14，位于第五双胶合消色差透镜13的后面；用于合并光束；

第一反射镜15，位于最下面一条光路的最左端；其用于反射光束；

第二反射镜18，位于最下面一条光路的最右端；其用于反射光束；

第六双胶合消色差透镜16，位于最下面一条光路的中间位置；其用于将光斑变大；其焦距优选为100mm；

第二半波片17，位于第六双胶合消色差透镜16的后面；其用于改变光束的偏振特性；

照相机19，位于该光路系统的末端，其用于收集呈像信息；

高压直流电源20，位于光路之外，需用电线将正负电极连接晶体正负两极，当开始准备制备光子晶格时打开高压直流电源。

在如图1所示的光路系统中的组成部件及参数为优选参数，其也可以根据实际情况，进行调整。

进一步地，本发明方法采用空间光调制器(SLM)5，在优选实施例中，所述空间光调制器(SLM)5采用反射式纯相位型空间光调制器。通过反射式纯相位型空间光调制器，光学函数和信号可以直接根据设计或像元通过计算机显示出来，采用图像卡输出的DVI或HDMI(优选采用HDMI)信号，通过电寻址方式调节。进一步地，本优选实施例中，SLM设备像素大小为8um，相面尺寸为15.36mm×8.64mm,相位调节范围在0～5.3π左右，其适用于420～1100纳米的激光。在另外实施例中，通过包括一个相位调制的液晶板来设置上述各种参数的设置或调整，例如将预先设计相位图加载到液晶面板上时，液晶面板对垂直界面入射的激光的相位进行调制，从而对激光加载螺旋涡旋光的相位。在其他实施例中，空间光调制器(SLM)也可以采用相位或者振幅进行调节。

图1中的傅里叶面8构成傅里叶空间：光束受到空间光调制器5的相位调制，经过第二双胶合消色差透镜7的傅里叶变换聚焦在傅里叶面8上，将振幅和相位已调制好的模板加载在空间光调制器5上，根据SLM和所构造光束的特点，其在傅里叶面产生多个级次的光束，选出预先已经被调控好的光束进行滤波，除去其他杂光。

基于本发明中的SBN晶体各向异性以及非线性等特点，在SBN晶体中写入波导的光束为正常光(ordinary light),探测光为非正常光(extraordinary light)，利用图1中的第一半波片9在写入过程中根据所需控制图1中的第一半波片9的偏振特性。

第三双胶合消色差透镜10和第四双胶合消色差透镜11构成4F滤波系统，4F滤波系统主要作用是缩小所构造的光束，在本实例中缩小倍数为3倍。

图1中SBN晶体12，其尺寸大小为(a)5mm×(b)20×(c)5mm,其中(a)、(b)、(c)分别代表SBN晶体的长、宽和高；掺杂CeO₂：0.002％；SBN晶体六个表面抛光且全部无涂料，呈现透明玻璃材质的颜色；SBN晶体的上下表面涂有碳电极，外加电场可通过涂有碳电极的两端施加在SBN晶体上；外加电场的施加范围优选为800V/cm-300V/cm。

图1中的第五双胶合消色差透镜13和照相机19构成成像系统，通过移动第五双胶合消色差透镜13将SBN晶体前后表面的信息呈现在照相机19中，进而将光信息转化成电学信息呈现在电脑软件中进行观测。

结合图1所述的光路系统，本发明的一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法包括以下步骤：

步骤S1：搭建图1中所示光路系统；光束从激光器1出发，经过准直扩束单元2、空间光调制器5、第二双胶合消色差透镜7、4F滤波系统(由第三双胶合消色差透镜10和第四双胶合消色差透镜11构成4F滤波系统)、SBN晶体12最终照射到成像系统(由第五双胶合消色差透镜13和照相机19构成成像系统)中；

步骤S2：检查步骤S1中搭建的光路系统中的SBN晶体是否干净以及是否放置准确位置，并再次确认SBN晶体12的前后表面位置；检查空间光调制器5是否可以正常加载模板，若可以，则打开控制空间光调制器5的操控软件(本实施例中优选为HOLOEYE PhotonicsAG–EDID Device Detection)，准备工作；

步骤S3：关闭室内灯光，保持黑暗环境以确保SBN晶体可以正常写入光波导；其黑暗程度大概为0.003～0.0007LUX；

步骤S4：设计光束模板并将其加载在空间光调制器的液晶面板上，设计内容包括：本发明新型光束在傅里叶空间表达式为：

其中(m,n)为傅里叶空间的(k_x,k_y),

为该光束振幅因子在傅里叶空间的表达式，

为该光束原始相位因子在傅里叶空间的表达式，

为傅里叶空间相位调节常数，需根据光束具体参数数值选择，实空间表示一种移动，使用MATLAB将光场方程数学表达式写成程序(具体程序的表达形式为

Phase＝Amplitude(k_x，k_y).*mod(phase_original(k_x，k_y)+shift，2*pi)，

其中Phase代表理论模型中e指数上的所有内容，Amplitude(k_x,k_y)代表上式中的

phase_original(k_x,k_y)代表上式中的

shift代表上式中的

)加载到空间光调制器5上，空间光调制器所衍射的一级光束即为根据MATLAB将光场方程数学表达式所写程序所整形的光束，通过傅里叶面8滤出该光束；

步骤S5：依据步骤S4得到的光束，将构造好的依据步骤S4得到的光束图样照射在SBN晶体的前表面，并通过成像系统检查从SBN晶体前表面到SBN晶体后表面的过程中，确保光束图样基本保持不变；

步骤S6：打开激光器1，激光器1发出的激光经过准直扩束单元2(优选针孔型空间滤波器2)和第一双胶合消色差透镜3组成的扩束系统产生平面波；平面波经过扩束系统后的第一分光棱镜6照射到所述空间光调制器5上，进而实现预先模板的调制；

步骤S7：旋转第一半波片9调节写入光为o光即寻常光(是一种线偏振光，其中o光在晶体中传播时，不管光从哪个方向入射，折射率都是固定不变的，表现出各向同性的性质；而e光其振动方向与o光垂直，导致朝向不同方向传播时，会出现不同的折射率)，增大光强(mw级别)；

步骤S8：在光束图样照射SBN晶体同时，打开高压直流电源20(位于光路之外，需用电线将正负电极连接晶体正负两极，当开始准备制备光子晶格时打开高压直流电源)，在非线性作用下，受到相位调制的光束在SBN晶体中形成光波导；通过调控空间光调制器上模板的相位关系(利用MATLAB根据图1或者图2所示的晶格构造生成多个不同位置的波导光束模板，每一个模板都代表形成晶格的某一个波导光束，它们具有不同的位置，将这些模板加载到控制控制空间光调制器5的软件“HOLOEYE Photonics AG–EDID Device Detection”中)，等间隔地产生不同横向位置整列光束，精准控制写入光束的相对位置(对应于图1或者图2的中心缺陷处的光波导“相对位置”)，该过程采用“逐根波导”的方式在SBN晶体中制备最终的光子微结构；

步骤S9：在所制备的光子微结构完成之后，关闭高压直流电源，降低光强(uw级别)，将平面波相位模板加载到空间光调制器上，撤掉第四双胶合消色差透镜11；

步骤S10：旋转第一半波片9调节探测光为e光即非寻常光(是一种线偏振光，其振动方向与o光垂直，导致朝向不同方向传播时，会出现不同的折射率)，平面波通过第二双胶合消色差透镜7、第三双胶合消色差透镜10以及狭缝8和第一半波片9照射到SBN晶体上，成像系统将光子晶格信息传递给计算机；

步骤S11：通过计算机观测该光子晶格，若其呈现较为均匀的分布且图案清晰、无明显变形和缺陷，则此次实验所制备的光子晶格微结构视为较理想情况，接下来即可利用空间光调制器设计构造涡旋光束进行探测。

本发明中，优选地，可见光激光器采用532nm的固体激光器。照射到空间光调制器的光强大约为200mW。SBN:61晶体的掺杂为％CeO2：0.002。加载直流电压的SBN:61晶体的直流电压为500V-1200V。

所述空间光调制器可采用高精度反射式纯相位型空间光调制器(1920*1080及以上)、反射式振幅调制空间光调制器与纯相位型空间光调制器的结合、振幅兼相位空间光调制器的任意一种方案。

下面进一步说明基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法。

如图1所示，将提前设定好的模板加载到1920*1080的纯相位型空间光调制器5上，其中加载到纯相位型空间光调制的光场方程一般式为

其中

为预期振幅信息，

该项为相位信息，写成该形式加载到空间光调制器上，所调制的光束通过一个分光棱镜、透镜进入傅里叶空间，在滤波平面滤出空间光调制器所衍射的一级光束其一般表达式为

在得到想要的光束之后利用缩小型的4f系统进行等比例的光束压缩回到SBN：61晶体材料内部，光束通过加载有直流电压的SBN:61晶体产生任意拓扑结构的直波导阵列；之后通过在所述空间光调制器上加载平面波模板；与此同时去除掉其中一个透镜(第四双胶合消色差透镜11)，平面波经过剩余的透镜和滤波模板组成的4F滤波系统、SBN:61晶体后透过所述的透镜和摄像机组成的成像系统成像在所述摄像机上观察波导结构。

在优选实施例中，搭建图1所示的光路系统，在空间光调制器上加载上所需的相位模板(此处为2D-SSH二维波导结构的相位模板)，在写入晶格之前将SBN晶体加载650V正向电压。在SLM上以特定时间间隔循环加载相位模板。循环加载完毕后撤去电压，观察晶体内部波导阵列结构(图3)。该结构是拥有实空间的拓扑结构的波导阵列，能够支持受到C₄对称性和手征对称性保护的高阶拓扑角模式。

图2为依据本发明方法所调控的光束侧面输出模拟图，其中横坐标为传输距离z(沿着晶体z方向，数值为2cm)，纵坐标为光束的直径，其直径约为25um-35um。图2所使用的模拟参数均根据本实验装置参数所设置，具体数值在上述实验装置系统中已描述。图3为利用图2的光束在图1的实验光路图的基础上制备的2D-SSH光子晶格实验图，其中每一个高斯光束代表一根光波导，横纵坐标分别表示x-y平面，实验采用逐点书写光波导的方法，所构成的几何图形为二维SSH模型。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤S1：搭建光路系统；

步骤S2：检查步骤S1中搭建的光路系统中的SBN晶体是否干净以及是否放置准确位置，并再次确认SBN晶体的前后表面位置；

步骤S3：关闭室内灯光，保持黑暗环境以确保SBN晶体可以正常写入光波导；

步骤S4：设计光束模板并将光束模板加载在空间光调制器的液晶面板上；

步骤S5：依据步骤S4得到的光束，将构造好的依据步骤S4得到的光束图样照射在SBN晶体的前表面，并通过成像系统检查从SBN晶体前表面到SBN晶体后表面的过程中，确保光束图样基本保持不变；

步骤S6：打开激光器，激光器发出的激光经过准直扩束单元和第一双胶合消色差透镜组成的扩束系统产生平面波；平面波经过扩束系统后的第一分光棱镜照射到所述空间光调制器上，进而实现预先模板的调制。

2.根据权利要求1所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，其进一步包括步骤S7：旋转第一半波片调节写入光为o光，o光为寻常光。

3.根据权利要求2所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，所述o光在晶体中传播时，不管光从哪个方向入射，折射率都是固定不变的，表现出各向同性的性质。

4.根据权利要求1所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，其进一步包括步骤S8，在光束图样照射SBN晶体同时，打开高压直流电源，在非线性作用下受到相位调制的光束在SBN晶体中形成光波导。

5.根据权利要求4所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，高压直流电源位于光路之外，需用电线将正负电极连接晶体正负两极，当开始准备制备光子晶格时打开高压直流电源。

6.根据权利要求5所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，其进一步包括步骤S9：在所制备的光子微结构完成之后，关闭高压直流电源，降低光强到uw级别，将平面波相位模板加载到空间光调制器上，撤掉第四双胶合消色差透镜。

7.根据权利要求6所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，其进一步包括步骤S10：旋转第一半波片调节探测光为e光，e光为非寻常光。

8.根据权利要求7所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，e光为一种线偏振光，其振动方向与o光垂直，导致朝向不同方向传播时，会出现不同的折射率。

9.根据权利要求7所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，旋转第一半波片调节探测光为e光，使得平面波通过第二双胶合消色差透镜、第三双胶合消色差透镜以及狭缝和第一半波片照射到SBN晶体上，成像系统将光子晶格信息传递给计算机。

10.根据权利要求7所述的基于频谱空间的光束调控制备光子微结构的方法，其特征在于，其进一步包括质量核查步骤S11：通过计算机观测光子晶格，质量基准为光子晶格呈现较为均匀的分布且图案清晰、无明显变形和缺陷。

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