CN1702536A - 光子晶体变频装置 - Google Patents
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Abstract
光子晶体可为一维光子晶体和二维光子晶体，一维光子晶体由基片和介质膜层构成，介质膜层由高低折射率材料交替排列呈周期结构分布，通过离子束淀积法、真空磁控溅射法、热压、溶胶－凝胶、化学气相沉积法、真空蒸发法等技术在基片上制作得到，膜层材料和厚度可以根据所要求的入射光波和变频光波波段进行选择；二维光子晶体由高低折射率材料呈空气柱或介质柱型结构构成，空气柱或介质柱形成三角形、四方形、蜂窝形、棋盘形、复式格子等晶格结构的周期单元，采用光刻、干法刻蚀等微细加工技术、光电化学腐蚀等技术制作，该二维光子晶体的晶格常数、圆柱直径、圆柱高度可以根据所要求的入射光波和变频光波波段进行选择。本发明具有激光频率转换不依赖于入射光强，转换效率高和转换范围大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光变频的光子晶体变频装置。
背景技术
激光变频技术在现代新型激光武器、激光有源对抗、激光防护等光电对抗技术、国防科研和工业领域中具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
现有的激光变频技术，主要利用无机晶体材料如BBO、KDP、ADP、CDA等的非线性特性，采用传统的倍频、差频、混频和参量振荡等方法实现变频。而这种传统的变频技术存在许多缺点：(1)需要较高的入射光强引起材料的非线性效应才能实现频率转换，导致实验成本增加、难度增大；(2)频率转换受位相匹配等条件的限制，转换效率不高；(3)采用倍频、差频、参量振荡等方法实现频率转换，不但需要两至多束光，而且实验装置复杂，导致能量损失严重，同时所产生的输出光频率范围直接与入射光频率有关，导致频率转换范围有限。
而基于一些非线性有机化合物和高分子材料实现激光变频研究，目前还处于基础研究阶段，同时有机材料存在低的热稳定性、机械加工性差、光学抗损伤阈值低等固有缺点。
光子晶体是一种能够用类似于半导体操纵电子的方式来操纵光子的材料，被称为光的半导体。这一新概念是在1987年由Yablonovitch和John几乎同时提出的。光子晶体是由不同介电常数的材料交替排列构成的周期结构，当电磁波在其中传播时，光波色散曲线成带状结构，带与带之间出现类似于半导体禁带的“光子禁带”，频率落在禁带中的电磁波被严格禁止传播。从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。光子晶体在外来冲击波、电场、磁场、温度等调制下，其晶格常数、介电常数将发生改变，导致其禁带位置和宽度发生改变，成为一种动态光子晶体。
美国麻省理工大学的E.J.Reed，M.Soljacic,和J.D.Joannopoulos首次在Phys.Rev.Lett，90，May，2003：203904发表了利用冲击波调制一维光子晶体实现频率转化的理论分析，提出了高Q腔理论模型，通过冲击波波前的作用，使高Q腔压缩，导致入射光频率转换。同年在Phys.Rev.Lett，91，September，2003：133901发表了利用反多谱勒效应实现入射光频率转换的理论模型。但这两篇文献主要研究一维光子晶体变频的理论模型分析，并未涉及冲击波动态调制实现变频对光子晶体结构、材料、制作的要求及冲击波如何产生等问题。同时，目前未见报道国内外其他研究小组开展这方面的研究工作。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对上述基于材料的非线性效应实现频率转换所存在的问题，提供一种具有不依赖于入射光强、转换效率高且转换范围大等优点的光子晶体变频装置。
本发明的技术解决方案之一是：光子晶体变频装置，为一维光子晶体，其特征在于：它由基片和介质膜层构成，介质膜层由高低折射率材料交替排列呈周期结构分布。介质膜层通过离子束淀积法、真空磁控溅射法、热压、溶胶-凝胶、化学气相沉积法、真空蒸发法等技术在基片上制作得到。膜层材料和厚度可以根据所要求的入射光波和变频光波波段进行选择，介质膜层的材料可以是硅、二氧化硅、砷化镓、碲、硫化锌、锗、碲化锌、氧化铝、氧化钛及有机合成材料。
本发明的技术解决方案之二是：光子晶体变频装置，为二维光子晶体，其特征在于：由高低折射率材料呈空气柱或介质柱型结构构成。空气柱或介质柱形成三角形、四方形、蜂窝形、棋盘形、复式格子等周期单元。采用光刻和干法刻蚀等微细加工技术、光电化学腐蚀技术制作，制作材料可以是硅、二氧化硅、砷化镓、碲、硫化锌、锗、碲化锌、氧化铝、氧化钛及有机合成材料。
本发明与传统激光变频技术相比有以下优点：
(1)不依赖于入射光强。光子晶体变频技术的关键是利用冲击波调制，实现光子晶体内部波前界面两侧光子禁带位置和宽度的改变。频率转换并不依赖于入射光强。
(2)转换效率高。入射光在界面处局域化，通过不断吸收声子绝热转化进入禁带同时频率增长。转换到禁带上边缘，正好位于被调制后光子晶体的禁带，被完全反射回来，实现高效转换。
(3)转换范围大。频率转换范围关键取决于光子晶体禁带宽度，通过设计、制作大带隙光子晶体实现大范围频率转换。
(4)只需单频入射光。
附图说明
图1为本发明技术方案之一的一维晶体光子结构示意图；
图2为本发明技术方案之一的光子晶体能带结构示意图；
图3为本发明技术方案之二的二维光子晶体结构示意图；
图4为本发明的光子晶体变频系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的技术方案之一是由基片和介质膜层构成变频装置的一维光子晶体，介质膜层由高低折射率材料交替排列呈周期结构分布。图1中两种材料的折射率分别为n1，n2，假设n1＞n2，两种材料的厚度分别为h1，h2，晶格常数为a，a＝h1+h2。一维光子晶体的膜层材料和厚度可以根据所要求的入射光波和变频光波波段进行选择。膜层材料对于入射和变频光波必须是透明的，膜层厚度即h1+h2必须与入射光波长相匹配。一般情况下，膜层厚度约等于入射光波长的1/3。制作材料可以是硅、二氧化硅、砷化镓、碲、硫化锌、锗、碲化锌、氧化铝、氧化钛及有机合成材料。
本发明光子晶体材料的选择根据如下条件：(1)对入射和变频光波的透过率高；(2)对冲击波的吸收和散射小，共振系数大；(3)高低折射率材料的折射率差大。
实施例1，以入射光波长为1064nm为例，可选择GaAs和SiO2两种材料，折射率分别为n1＝3.37和n2＝1.54，并符合上述条件。两种材料的厚度分别为GaAs，h1＝99.4nm，SiO2，h2＝211.1nm。
实施例2，以入射光波长为1064nm为例，可选择TiO2和Al2O3两种材料，折射率分别为n1＝2.58和n2＝1.76，并符合上述条件。两种材料的厚度分别为TiO2，h1＝109.3nm，Al2O3，h2＝178.4nm。
实施例3，以入射光波长为532nm为例，可选择TeO2和SiO2两种材料，折射率分别为n1＝2.26和n2＝1.54，并符合上述条件。两种材料的厚度分别为TeO2，h1＝64.58nm，SiO2，h2＝98.92nm。
如图2所示，为本发明一维光子晶体能带结构。图中横坐标为光子晶体布里渊区的高对称点，纵坐标为光子晶体能带结构对应的频率。图中的网格区为禁带区，所对应的纵坐标为禁带频率范围，即当入射光频率位于禁带频率范围时不能在光子晶体中传播；图中的空白区为导带区，所对应的纵坐标为导带频率范围，即位于导带频率范围的入射光可在光子晶体中传播。
如图3所示，为本发明的二维光子晶体结构示意图。(1)当为空气柱型结构时，高折射率介质材料，折射率为n1和空气，折射率为n2形成三角形晶格结构的周期单元。另还可以构成四方形、蜂窝形、棋盘形、复式格子等晶格结构的周期单元。(2)当为介质型结构时，高低折射率材料分布刚好相反，n2为高折射率介质材料，n1为空气。图中圆心与圆心之间的距离为晶格常数a，圆柱直径为2r，圆柱高度为d。二维光子晶体的晶格常数、圆柱高度可以根据所要求的入射光波和变频光波波段进行选择。首先，制作二维光子晶体的高折射率材料对于入射和变频光波必须是透明的。一般情况下，二维光子晶体的晶格常数a约等于入射光波长的1/2。对于空气柱型结构，圆柱高度d约等于入射光波长的1/2，对于介质型结构，圆柱高度d约等于入射光波长的2倍。
制作材料可以是硅、二氧化硅、砷化镓、碲、硫化锌、锗、碲化锌、氧化铝、氧化钛及有机合成材料。
实施例4，以入射光波长为10.6μm为例，可选择高折射率Ge构成三角形晶格空气柱型光子晶体，折射率分别为n1＝4.0和n2＝1.0，晶格常数a＝5.63μm，空气柱直径2r＝5.51μm，空气柱高度为d＝5.3μm。
实施例5，以入射光波长为5.0μm为例，可选择高折射率Si构成三角形晶格空气柱型光子晶体，折射率分别为n1＝3.4和n2＝1.0，晶格常数a＝2.44μm，空气柱直径2r＝2.33μm，空气柱高度为d＝2.5μm。
实施例6，以入射光波长为4.0μm为例，可选择高折射率Si构成蜂窝形晶格介质柱型光子晶体，折射率分别为n1＝1.0和n2＝3.4，晶格常数a＝2.24μm，介质柱直径2r＝1.08μm，介质柱高度为d＝8.0μm。
图4为光子晶体变频系统示意图。图中黑色方形区为一维或二维光子晶体样品，入射光波和冲击波分别从样品上下方向耦合到样品中。
Claims (9)
1、光子晶体变频装置，由光子晶体、冲击波发生装置和激光光源三部分组成，其特征在于：基片和介质膜层构成一维光子晶体变频装置，其中介质膜层由高低折射率材料交替排列呈周期结构分布。
2、根据权利要求1所述的光子晶体变频装置，其特征在于：所述的一维光子晶体变频装置受冲击波调制，其晶格常数、介电常数随调制发生改变，导致其禁带位置和宽度发生改变，成为动态一维光子晶体。
3、根据权利要求1所述的光子晶体装置，其特征在于：所述的介质膜层通过离子束淀积法、或真空磁控溅射法、或热压、或溶胶-凝胶、或化学气相沉积法、或真空蒸发法等技术在基片上制作得到。
4、根据权利要求1所述的光子晶体装置，其特征在于：所述的介质膜层的材料是硅、或二氧化硅、或砷化镓、或碲、或硫化锌、或锗、或碲化锌、或氧化铝、或氧化钛，或有机合成材料。
5、光子晶体变频装置，其特征在于：由高低折射率材料呈空气柱或介质柱型结构分布，构成二维光子晶体变频装置。
6、根据权利要求5所述的光子晶体变频装置，其特征在于：所述的二维晶体变频装置受冲击波调制，其晶格常数、介电常数随调制发生改变，导致其禁带位置和宽度发生改变，成为动态二维光子晶体。
7、根据权利要求5所述的二维光子晶体，其特征在于：所述的空气柱或介质柱形成三角形、或四方形、或蜂窝形、或棋盘形、或复式格子等晶格结构的周期单元。
8、根据权利要求5所述的光子晶体变频装置，其特征在于：所述的空气柱或介质柱型结构采用光刻、干法刻蚀等微细加工技术、或光电化学腐蚀技术制作。
9、根据权利要求5所述的光子晶体变频装置，其特征在于：所述空气柱或介质柱型结构的制作材料是硅、或二氧化硅、或砷化镓、或碲、或硫化锌、或锗、或碲化锌、或氧化铝、或氧化钛，或有机合成材料。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20081217 Termination date: 20140524 |