CN1510459A - 光子晶体超快速响应调谐的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体超快速响应调谐的方法及其装置。该方法利用有机共轭材料自组织生长的方式制备所需的三维非线性有机共轭材料光子晶体，泵浦激光沿有机共轭材料光子晶体的[111]晶向入射该光子晶体，激发有机共轭材料的三阶非线性效应，从而改变光子晶体的光子带隙位置；调节泵浦激光的强度可改变有机共轭材料光子晶体的光子带隙位置，实现了有机共轭材料光子晶体的调谐，调谐响应时间可达到fs量级。实现该方法的装置包括泵浦光路、探测光路和信号处理系统，由泵浦光路调谐有机共轭材料光子晶体，探测光路提供探测信号，信号处理系统采集并处理数据；该光子晶体调谐装置设备简单，操作步骤简洁，数据测试简单快捷。

Description

光子晶体超快速响应调谐的方法及其装置

发明领域

本发明涉及一种光子晶体超快速响应调谐的方法及其装置，特别是涉及一种三维非线性有机共轭材料光子晶体超快速响应调谐的方法和装置。

背景技术

光子晶体是由两种不同的介电材料所构成的、介电常数在空间周期性变化的晶体。光子晶体具有光子带隙，波长(或者频率)落入光子带隙内的光将被全部反射回去而不能透过光子晶体。利用光子晶体的光子带隙，能够实现对光的传输过程进行有效的人为控制，因而在集成光子器件和光通信领域具有非常广泛的应用。但是普通的光子晶体在制备完成后，其光子带隙的位置和宽度是固定不变的。可调谐光子晶体的光子带隙的位置和宽度，可以通过调整外部控制参数来改变，因而具有比普通光子晶体更为灵活和重要的应用。

可调谐光子晶体的实现主要包含两个基本过程：一是光子晶体的制备；二是光子带隙的调节。由于空间周期性介电常数的要求，目前制备一维光子晶体在技术上很困难。到目前为止，对一维可调谐光子晶体只进行了初步的理论研究(文献1，Y.K.Ha，Y.C.Yang，J.E.Kim，H.Y. Park，C.S.Kee，H.Lim and J.C.Lee，“TunableOmnidirectional Reflection Bands and Defect Modes of a One Dimensional PhotonicBand Gap Stmcture with Liquid Crystals”，Appl.Phys.Lett.，2001，79(1)：15-17)。制备二维的光子晶体需要利用电子束刻蚀、反应离子束刻蚀等微加工技术，对技术条件要求很高，而且价格昂贵，因而对二维可调谐光子晶体的研究也主要集中在理论研究方面(文献2，C.S.Kee，H.Lim，Y.K.Ha，J.E.Kim，and H.Y. Park，“Two-DimensionalTunable Metallic Photonic Crystals Infiltrated with Liquid Crystals”，Phys.Rev.B，2001，64(8)：085114；文献3，S.W.Leonard，H.M.van Driel，J.Schilling and R.B.Wehrspohn，“Ultrafast Band-Edge Tuning of a Two-Dimensional Silicon Photonic Crystal via Free-Carrier Injection”，Phys.Rev.B，2002，66(16)：161102(R))。目前，实现三维可调谐光子晶体的通常方法是，首先制备人造Opal，通过在Opal中渗入铁电材料、铁磁材料、液晶材料或者半导体材料来制备光子晶体，然后通过外加电(磁)场或者温度进行光子带隙的调节(文献4，P.Halevi an d F.R.Mendieta，“Tunable Photonic Crystalswith Semiconducting Constituents”，Phys.Rev.Lett.，2000，85(9)：1875-1878；文献5，V. N.Astratov，A.M.Adawi，AM.S.Skolnich，V. K.Tikhomirov，V.Lyubin，D.G.Lidzey，M.Ariu and A.L.Reynolds，“Opal Photonic Crystals Infiltrated with ChalcogenideGlasses”，Appl.Phys.Lett.2001，78(26)：4094-4096；文献6，H.Takeda and K.Yoshino，“Tunable Photonic Band Schemes of Opals and Inverse Opals Infiltrated with LiquidCrystals”，J.Appl.Phys.，2002，92(10)：5658-5662；文献7，Y.K.Ha，J.E.Kim，H.Y.Park，C.S.Kee and H. Lim，“Tunable Three-Dimensional Photonic Crystals UsingSemiconductors with varying Free-Carrier Densities”，Phys. Rev. B，2002，66(7)：075109)。但是，这种方法存在很大的缺陷：一是光子晶体的制备过程较为复杂，通常包括模版的制备、填充、烧结等一系列非常复杂、难以调控的过程，要制备高品质的光子晶体较为困难，如文献8，K.Busch an d S.John，“Liquid-Crystal Photonic-Band-Gap Materials：the Tunable Electromagnetic Vacuum”，Phys.Rev.Lett.1999，83(5)：967-970中所述；二是利用温度调节光子带隙时，光子晶体的响应时间非常慢，只能达到毫秒到秒的量级(文献9，K.Yoshino，Y.Shimoda，Y. Kawagishi，K.Nakayama，and M.Ozaki，“Temperature Tuning of the Stop Band in Transmission Spectraof Liquid-Crystal Infiltrated synthetic Opal as Tunable Photonic Crystal”，Appl.Phys.Lett.1999，75(7)：932-934)；而利用电场调节光子带隙时，不仅需要复杂的设备系统，而且光子晶体的响应时间只能达到微秒的量级(文献10，Y. Shimoda，M.Ozaki，and K.Yoshino，“Electric Field Tuning of a Stop Band in a Reflection Spectrum of SyntheticOpal Infiltrated with Nematic Liquid Crystar”，Appl.Phys.Lett.，2001，79(22)：3627-3629)。这就极大地限制了可调谐光子晶体的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中晶体制备复杂或不可调谐或者调谐响应速度慢，同时光子晶体调谐设备结构复杂等主要缺点，从而提供了一种光子晶体超快速响应调谐的方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的光子晶体超快速响应调谐的方法，包括利用有机共轭材料自组织生长的方式制备所需的三维非线性有机共轭材料光子晶体，泵浦激光沿有机共轭材料光子晶体的[111]晶向入射所述有机共轭材料光子晶体，调节泵浦激光的强度改变有机共轭材料光子晶体的光子带隙位置，实现有机共轭材料光子晶体的调谐。

还包括探测激光与泵浦激光共线传播入射到有机共轭材料光子晶体，信号处理系统采集并处理从有机共轭材料光子晶体出射的探测激光信号，根据信号处理系统的数据判断有机共轭材料光子晶体的调谐响应时间和调谐后光子带隙的位置。所述泵浦激光波长为400～1200nm，强度为0～100GW/cm²；所述探测激光强度小于100MW/cm²；所述的有机共轭材料为聚苯乙烯材料，优选为单分散的聚苯乙烯小球。

本发明提供的光子晶体超快速响应调谐的装置，它包括泵浦光路、探测光路和信号处理系统。

所述的泵浦光路包括泵浦激光器1、半透半反镜3、延迟线4、45°全反镜5和半透半反镜8；其中半透半反镜3处于泵浦激光器1和延迟线4之间，与泵浦光路成45°角，延迟线4对泵浦激光为180°非共线全反射，45°全反镜5处于延迟线4的反射光路上，半透半反镜8与45°全反镜5的二反射面互相垂直，且对泵浦激光均为45°入射；

所述的探测光路包括探测激光器2和半透半反镜8；其中探测激光器2位于半透半反镜3的反射光路上，探测激光对半透半反镜8为45°入射；

泵浦光路与探测光路经过半透半反镜8后共线传播；有机共轭材料光子晶体10位于半透半反镜8与单色仪12之间的共线传播光路上，该光子晶体10前后分别放置聚焦透镜9和聚焦透镜11，有机共轭材料光子晶体10的[111]晶向与所述共线传播光路平行，并处于聚焦透镜9的聚焦平面上；调节泵浦激光强度的衰减片7放置在半透半反镜8和聚焦透镜9之间。

所述信号处理系统包括单色仪12、光电倍增管13、示波器15和计算机14；其中单色仪12的入射狭缝处于聚焦透镜11的聚焦平面上，光电倍增管13、示波器15和计算机14顺序电连接；单色仪12采集探测激光信号经光电倍增管13放大后进入示波器15显示，最后由计算机14进行数据的采集和处理；

半透半反镜8的透射光路后放置一同步触发示波器15的激光二极管16，激光二极管16与示波器15电连接。

半透半反镜8对泵浦激光全反射；所述泵浦激光器1为YAG激光器；所述探测激光器2为OPA激光器；所述衰减片7为带通衰减片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.实现了光子晶体的可调谐。

根据三阶非线性光学Kerr效应，有机共轭材料受到泵浦激光的激发作用，其折射率n将发生变化，

$n=n_0+\mathrm{\Δn}=n_0+\frac{{120\mathrm{\π}}^2}{2}{R}_e{x}^{\left(3\right)}I$

其中，n₀为材料的线性折射率，是一个常数，c为真空中的光速，x⁽³⁾为材料的三阶非线性极化率，是一个复数，R_ex⁽³⁾代表取三阶非线性极化率x⁽³⁾的实部的值，I为泵浦光强，π为常数3.14。通过调节泵浦激光强度改变有机共轭材料的折射率，折射率的变化引起有机共轭材料光子晶体带隙的位置发生变化，由此实现有机共轭材料光子晶体的可调谐。

2.实现了光子晶体调谐的超快速时间响应。

由于有机共轭材料自身的三阶非线性光学Kerr效应来源于π电子的离域极化，其时间响应在fs的量级，因而利用有机共轭非线性材料制备的三维光子晶体，具有fs量级的超快速的时间响应。

3.有机共轭材料光子晶体利用有机共轭材料自组织生长的方式制备，制备技术简单。

4.本发明的光子晶体调谐装置设备简单、操作步骤简洁、数据测试简单快捷。

附图说明：

图1是本发明光子晶体超快速响应调谐的装置的示意图；

图2是本发明实施例1制备的聚苯乙烯光子晶体的透过谱曲线；

图3是本发明实施例1制备的聚苯乙烯光子晶体在580nm处探测光的透过率随时间延迟的变化曲线；

图4是本发明实施例1制备的聚苯乙烯光子晶体在540nm处探测光的透过率随时间延迟的变化曲线；

图5是本发明实施例1制备的聚苯乙烯光子晶体在580nm处探测光透过率的改变量随泵浦光强度的变化曲线；

图6是本发明实施例1制备的聚苯乙烯光子晶体在580nm处光子带隙的迁移量随泵浦光强度的变化曲线。

图面说明：

泵浦激光器1     探测激光器2  半透半反镜3  延迟线4

45°全反镜5     衰减片7      半透半反镜8  聚焦透镜9

有机共轭材料光子晶体10       聚焦透镜11   单色仪12

光电倍增管13    计算机14     示波器15     激光二极管16

具体实施方式：

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

利用有机共轭材料自组织生长的方式制备所需的三维非线性有机共轭材料光子晶体，步骤为：

(1)：利用两块光洁度为II级、厚度为2mm、直径为20mm的玻璃基片，其中一片在距圆心5mm处留有一直径为3mm的圆孔，在圆孔内插入一直径3mm、长15mm的空心玻璃管，插入深度为1.5mm，并用树脂粘好；

(2)：将两块基片用胶粘好，中间留一喇叭形空间用于生长光子晶体。粘接厚度为0.3mm，由也可按实际要求从微米到毫米量级选取。喇叭形口用二氧化钛粉封住。用宽4mm的橡皮条包住基片外缘，并用细铜丝扎紧；

(3)：在玻璃管中注满浓度为0.015％的单分散的聚苯乙烯小球的悬浊液，将玻璃管与水平面成45°角放置于洁净室内。不断补充悬浊液，直到长成所需尺寸的聚苯乙烯光子晶体为止；

(4)：使用光谱仪测量所制备的聚苯乙烯光子晶体的透过谱曲线，该曲线反映光子带隙的结构，如图2所示：光子带隙的中心波长为550nm，带隙的深度接近两个数量级，而且光子带隙的两个边缘很陡，说明所制备的是高质量的光子晶体。

实施例2

按图1搭建本发明提供的光子晶体超快速响应调谐的装置，包括泵浦光路、探测光路和信号处理系统：

所述的泵浦光路包括泵浦激光器1、半透半反镜3、延迟线4、45°全反镜5和半透半反镜8；其中半透半反镜3处于泵浦激光器1和延迟线4之间，与泵浦光路成45°角，延迟线4对泵浦激光为180°非共线反射，45°全反镜5处于延迟线4的反射光路上，半透半反镜8与45°全反镜5的二反射面互相垂直，且对泵浦激光均为45°入射。

所述的探测光路包括探测激光器2和半透半反镜8；其中探测激光器2位于半透半反镜3的反射光路上，它是由半透半反镜3的反射激光来泵浦；探测激光对半透半反镜8为45°入射。

泵浦光路与探测光路经过半透半反镜8后共线传播；实施例1制备的聚苯乙烯光子晶体位于半透半反镜8与单色仪12之间的共线传播光路上，该光子晶体前后分别放置聚焦透镜9和聚焦透镜11，聚苯乙烯光子晶体的[111]晶向与所述共线传播光路平行，并处于聚焦透镜9的聚焦平面上；调节泵浦激光强度的衰减片7放置在半透半反镜8和聚焦透镜9之间，所述的衰减片7为带通衰减片。

所述的信号处理系统包括单色仪12、光电倍增管13、示波器15和计算机14；其中单色仪12的入射狭缝处于聚焦透镜11的聚焦平面上，光电倍增管13、示波器15和计算机14顺序电连接，单色仪12采集探测激光信号经光电倍增管13放大后进入示波器15显示，最后由计算机14进行数据的采集和处理。

半透半反镜8的透射光路后放置一同步触发示波器15的激光二极管16，激光二极管16与示波器15电连接。

所有光学部件均安装光具座上，光具座按要求分布在导轨上。

本实施例中，泵浦激光器1为脉冲35ps的YAG激光器，所发泵浦激光波长为1064nm，因为聚苯乙烯材料用波长1064nm的激光激发的三阶非线性效应较强，在实际应用时可根据有机共轭材料的种类选取不同波长的泵浦激光，其范围为400～1200nm。泵浦激光的强度范围以不损坏有机共轭材料光子晶体为限，一般为0～100GW/cm²，本实施例中YAG激光器的输出光强为40.6GW/cm²，调节带通衰减7可使入射聚苯乙烯光子晶体的泵浦激光强度在0到40.6GW/cm²之间连续变化；探测激光器2为OPA激光器，由YAG激光器输出的激光泵浦，所以OPA激光器发出的探测激光的脉冲宽度同泵浦激光相同。为了降低探测激光对有机共轭材料三阶非线性效应的影响，探测激光强度应小于100MW/cm²。

在本实施例中，所述的半透半反镜8对波长为1064nm的泵浦激光全反射；

通过延迟线4调节泵浦激光脉冲与探测激光脉冲之间的时间延迟关系，确定零时间延迟时延迟线4的位置。

实施例3

利用实施例2搭建的装置做光子晶体的调谐响应时间及可调谐的测量。

调节带通衰减片将通过聚苯乙烯光子的泵浦激光强度设定为40.6GW/cm²；调节OPA激光器将探测激光的波长设定为580nm，此波长位于聚苯乙烯光子晶体光子带隙的长波带边。调节延迟线4，测量探测激光的透过率随时间延迟的变化曲线，如图3所示：信号曲线以零时间延迟为中心呈对称分布，并且在时间延迟为零处，探测激光透过率达到最小值。信号曲线的半极小值的全宽度(HMFW)接近于泵浦激光的脉冲宽度，说明该聚苯乙烯光子晶体的调谐响应时间远快于测量系统的响应时间。因而，在本实施例中，受泵浦激光脉冲宽度35ps的限制，可知光子晶体的响应时间至少达到了ps量级。

调节带通衰减片将泵浦激光的强度设定为40.6GW/cm²；调节OPA激光器将探测激光的波长设定为540nm，此波长位于聚苯乙烯光子晶体光子带隙的短波带边。调节延迟线4，测量探测激光的透过率随时间延迟的变化曲线，如图4所示。根据图3和图4可知，在580nm处测得的探测激光的透过率在零时间延迟处达到了最小值，在540nm处测得的探测激光的透过率在零时间延迟处达到了最大值，表明光子带隙向长波方向移动。

调节带通衰减片使得泵浦激光的强度从0连续增加到40.6GW/cm²，在580nm处测量探测激光透过率的改变量随泵浦激光强度的变化曲线。如图5所示，随着泵浦激光强度的增加，探测激光透过率的改变量也逐渐增加。与图2所示的聚苯乙烯光子晶体的透过谱曲线相比较，计算光子带隙的迁移量，做出光子带隙的迁移量随泵浦光强度的变化曲线，如图6所示。随着泵浦激光强度的增加，光子带隙是连续可调的。在本实施例中，光子带隙最大移动了13nm。

Claims (10)

1.一种光子晶体超快速响应调谐的方法，其特征在于，包括利用有机共轭材料自组织生长的方式制备所需的三维非线性有机共轭材料光子晶体，泵浦激光沿有机共轭材料光子晶体的[111]晶向入射所述有机共轭材料光子晶体，调节泵浦激光的强度改变有机共轭材料光子晶体的光子带隙位置，实现有机共轭材料光子晶体的调谐。

2.根据权利要求1所述的光子晶体超快速响应调谐的方法，其特征在于，还包括探测激光与泵浦激光共线传播入射到有机共轭材料光子晶体，信号处理系统采集并处理从有机共轭材料光子晶体出射的探测激光信号，根据信号处理系统的数据判断有机共轭材料光子晶体的调谐响应时间和调谐后光子带隙的位置。

3.根据权利要求1所述的光子晶体超快速响应调谐的方法，其特征在于，所述泵浦激光波长为400～1200nm，强度为0～100GW/cm²。

4.根据权利要求2所述的光子晶体超快速响应调谐的方法，其特征在于，所述探测激光强度小于100MW/cm²。

5.根据权利要求1所述的光子晶体超快速响应调谐的方法，其特征在于，所述的有机共轭材料为聚苯乙烯材料，优选为单分散的聚苯乙烯小球。

6.一种实施权利要求1或2所述方法的光子晶体超快速响应调谐的装置，其特征在于，它包括泵浦光路、探测光路和信号处理系统；

所述的泵浦光路包括泵浦激光器(1)、半透半反镜(3)、延迟线(4)、45°全反镜(5)和半透半反镜(8)；其中半透半反镜(3)处于泵浦激光器(1)和延迟线(4)之间，与泵浦光路成45°角，延迟线(4)对泵浦激光为180°非共线全反射，45°全反镜(5)处于延迟线(4)的反射光路上，半透半反镜(8)与45°全反镜(5)的二反射面互相垂直，且对泵浦激光均为45°入射；

所述的探测光路包括探测激光器(2)和半透半反镜(8)；其中探测激光器(2)位于半透半反镜(3)的反射光路上，探测激光对半透半反镜(8)为45°入射；

泵浦光路与探测光路经过半透半反镜(8)后共线传播；有机共轭材料光子晶体(10)位于半透半反镜(8)与单色仪(12)之间的共线传播光路上，该光子晶体(10)前后分别放置聚焦透镜(9)和聚焦透镜(11)，有机共轭材料光子晶体(10)的[111]晶向与所述共线传播光路平行，并处于聚焦透镜(9)的聚焦平面上；调节泵浦激光强度的衰减片(7)放置在半透半反镜(8)和聚焦透镜(9)之间。

所述的信号处理系统包括单色仪(12)、光电倍增管(13)、示波器(15)和计算机(14)；其中单色仪(12)的入射狭缝处于聚焦透镜(11)的聚焦平面上，光电倍增管(13)、示波器(15)和计算机(14)顺序电连接；单色仪(12)采集探测激光信号经光电倍增管(13)放大后进入示波器(15)显示，最后由计算机(14)进行数据的采集和处理；

半透半反镜(8)的透射光路后放置一同步触发示波器(15)的激光二极管(16)，激光二极管(16)与示波器(15)电连接。

7.根据权利要求6所述的光子晶体超快速响应调谐的装置，其特征在于，所述的半透半反镜(8)对泵浦激光全反射。

8.根据权利要求6所述的光子晶体超快速响应调谐的装置，其特征在于，所述泵浦激光器(1)为YAG激光器。

9.根据权利要求6所述的光子晶体超快速响应调谐的装置，其特征在于，所述探测激光器(2)为OPA激光器。

10.根据权利要求6所述的光子晶体超快速响应调谐的装置，其特征在于，所述衰减片(7)为带通衰减片。

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