专利名称：具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二维准周期非线性光子晶体，特别是涉及一种多方向多波长倍频的准相位匹配光子晶体。
背景技术：
通常晶体中的倍频效应受到晶体色散关系的严重影响，使基频波和谐频波之间存在一定的相速度差，引起能流方向的交替变化，使得二次谐波强度沿相互作用距离L＝λi/4(no-ni)(其中，ni和no分别为晶体中基频光与倍频光的折射率，λi为基频光的波长)周期性地增强和减弱。为了实现二次谐波强度在整个晶体中的持续增加，两波矢之间需要满足相位匹配条件。过去人们主要利用各向异性晶体的双折射特性，通过调节晶体温度和入射光的角度，使基波的o光(或e光)与谐波的e光(或o光)的折射率相等以实现相位匹配。但这种利用各向异性晶体双折射特性实现相位匹配条件的方法有许多难以克服的缺点(1)天然或人工各向同性晶体中是无法实现这种相位匹配关系的；(2)某些角度上的相位匹配所引起的离散效应限制了两光束的空间交叠，非线性极化率最大对角元素的利用受到很大的限制；(3)晶体受温度特性特殊要求的影响。所述以上缺点均极大地降低了所用晶体的范围和能量转换效率。自从准相位匹配(QPM)技术的概念被提出以来，其在非线性频率转换方面的应用一直得到众多研究者的关注。QPM技术能使二次谐波强度在非线性晶体中保持连续增长，它通过使基波和谐波在奇数个L的长度内相对相位反转，以实现二次谐波强度在一些本该衰减的区域得以继续增加。因此，只要周期性地改变自发极化矩的方向，实现相位周期性反转，就能使谐波保持高效非线性频率转换。QPM技术的优势在于首先，它不再要求正交光束，即输入光和输出光偏振方向与晶体极化方向可以一致，这样走离效应不再存在，可充分利用晶体的最大非线性系数；其次，该技术是一种人为设计晶体周期结构以达到满足相位匹配关系的技术，增强了设计过程的可控性。基于此，在非线性光子晶体中的准相位匹配频率转换(倍频、和频、差频和光参量过程等)中的转换效率显著提高。
目前一维周期的准相位匹配技术已相当成熟，其中周期性极化的非线性光学晶体已配置到多频或调频的激光器产品中。由于不同的应用要求，人们进一步扩展到对一维准周期结构非线性光子晶体的研究。这种结构可以在单一方向上实现不同种波长的倍频、和频及差频等转换过程。然而，它的不足在于垂直于入射激光方向上的倒格矢没有被利用到。1998年法国科学家V.Berger首次提出了二维非线性光子晶体的概念(文献1，V.Berger，“Nonlinear Photonic Crystals”，Physical Review Letters，1998，81(19)4136-4139)。它是将自发极化矩以二维格点的结构周期性地反转，形成二维极化结构，其第一布里渊区可为三角形和正方形等多边形。这种结构能提供满足准相位匹配的多种倒格矢。2000年，Broderick等人(文献2，N.G.R.Broderick，G.W.Ross，H.L.Offerhaus，D.J.Richardson，and D.C.Hanna，“Hexagonally Poled Lithium NiobateA Two-DimensionalNonlinear Photonic Crystal”，Physical Review Letters，2000，84(19)4345-4348.)采用二维非线性光子晶体成功地进行了六边形周期性极化铌酸锂晶体中二倍频效应的实验。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中一维非线性光子晶体中只能对单一方向上不同种波长的光波倍频，及二维周期结构中倒格矢数量的有限性，为了同时对不同方向上多束不同波长的光波以及同一方向上不同波长的光波进行倍频，提供一种多波倍频的二维准相位匹配非线性光子晶体。利用二维n重准晶结构的对称性优势降低频率转换过程中谐频光产生效率对入射基频光偏离理想准相位匹配角度的敏感性。同时，利用具有高重对称性的二维准晶结构可为实现准连续波长的倍频转换奠定一定的理论和实验基础。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的一种具有多种方向上多种波长准相位匹配倍频的二维n重准周期非线性光子晶体，以铁电晶体材料为基，其超晶格格点为高压脉冲电场极化工艺制成的极化反转柱子，该非线性光子晶体的正格矢空间超晶格形状为二维n重准周期结构，沿其中心轴即z轴旋转具有n重对称性，其中组成基本单元为相邻接的多边形，并且多边形的边长是相等的；其超晶格对应的倒格矢也为二维n重准周期形状分布，该类倒格矢空间在同一方向上具有不同长度的倒格矢，同时在不同方向上也存在不同长度的倒格矢。
由此，可利用该类非线性光子晶体中不同方向上不同长度的倒格矢实现不同种波长的共线及非共线准相位匹配倍频过程，且利用二维准周期晶体的旋转对称性，绕其中心轴旋转一定角度的整数倍后可得到相同的结果。
所述的n重为n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
所述的铁电晶体材料为铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、硼酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)和磷酸钛酸钾(KTP)材料。
本发明提供的一种具有多种方向上多种波长准相位匹配倍频的二维n重准周期非线性光子晶体是利用外加电场的方法进行制备出的，该方法包括以下步骤1.首先制备好具有二维n重准周期图案光刻工艺用的掩模版，具有二维n重准周期图案；2.然后在干净的铁电晶体材料+c表面涂一层光刻绝缘胶，利用步骤1制备的光刻工艺用掩模版，通过光刻工艺将二维n重准周期图案转移到铁电晶体材料+c表面上；3.采用氯化锂液体电极，使氯化锂过饱和溶液的液体电极与未被覆盖铁电晶体材料+c表面充分接触，将10～30kV/mm的高压脉冲电场施加在步骤2得到的表面带有二维n重准周期图案的铁电晶体材料+c表面上没有被绝缘胶覆盖的区域，使该区域的铁电晶体材料+c得以极化，其超晶格格点为高压脉冲电场极化工艺制成的极化反转圆柱，极化完成后，擦除铁电晶体材料+c表面的绝缘胶，即可得到二维n重准周期非线性光子晶体的极化斑图；晶体的极化方向与二维准晶结构的中心轴平行；4.极化完成后，擦除铁电晶体材料+c表面的光刻绝缘胶，即可得到具有二维n重准周期非线性光子晶体。
为防止高压对空气击穿，还包括在极化过程中通常都是使晶体处于绝缘油中来进行。
为了得到更加清晰的斑图，还包括步骤5，将极化后的晶体表面选择适当的刻蚀液进行刻蚀，例如铌酸锂材料选择氢氟酸做刻蚀液，即把铌酸锂材料放在氢氟酸中，在室温下浸泡10～15分钟，然后再在显微镜下即可观察到清晰的二维n重准周期格点分布图。
使用时，为了减少抛光晶体表面对入射基频光及出射倍频光束的损耗，基频光沿着二维n重准周期光子晶体特定方向上的平面垂直入射，并与其二次谐波共线垂直出射到晶体外部，实现基频光的共线准相位匹配倍频过程。充分利用n重准周期结构中多个基矢的线性组合可得到更丰富的倒格矢，采用此方法可实现更多不同方向上不同波长光波的频率转换。旋转(360°/n)角度的整数倍可以得到相同的结果。
本发明提供了一种具有更丰富倒格矢的二维n重准周期极化反转结构，即在同一块晶体上能够有在多种方向可以满足准相位匹配的倒格矢，并且在同一方向上能够有更多长度不等的倒格矢存在。
本发明提供的一种多方向多波长倍频的二维n(n＝8，10，12，15，16，17，24或25)重准周期准相位匹配光子晶体，具有以下有益效果1.可以在同一方向上同时对多束不同波长的光波进行一阶准相位匹配频率转换，同时，通过多种基矢的线性组合可实现不同方向上不同种波长的倍频转换；2.利用晶体的n重对称性，旋转(360°/n)角度的整数倍后可得到相同的结果；3.利用具有高重对称性的二维准晶结构可为实现准连续波长的倍频转换提供了奠定一定的基础。
图1是本发明的具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维八重(n＝8)准周期光子晶体正格矢空间的格点分布图，整个空间由相邻接的正方形和45°菱形组成。其中，二维八重准周期图形的中心位于x-y-z坐标系的中心点，该图形的旋转中心轴与z轴重合，且z轴垂直纸面向外；(a)和(b)为组成二维八重准周期结构的基本单元正方形和45°菱形；λo1、λo2、λo3和λo4分别为输入基频光λi1、λi2、λi3和λi4的共线准相位匹配倍频输出光。
图2是外加高压脉冲电场的方法极化二维八重准周期结构的铌酸锂晶体完成后，其+c面的形貌图。
图3是二维八重准晶结构倒格矢空间的格点分布图。其中，G1和G2为与y轴夹角为0°方向上不同长度的倒格矢，G3和G4为与y轴夹角为±25°方向上不同长度的倒格矢。
图4是二维十重(n＝10)准周期结构正格矢空间的晶格分布图，其基本结构单元为36°瘦菱形和72°胖菱形。其中，二维十重准周期图形的中心位于x-y-z坐标系的中心点，该图形的旋转中心轴与z轴重合，且z轴垂直纸面向外；(a)和(b)为组成二维八重准周期结构的基本单元36°瘦菱形和72°胖菱形；具体实施方式
实施例1具有多种方向上多种波长准相位匹配倍频的二维n重准周期非线性光子晶体，以厚度0.4mm的铌酸锂材料为基，其超晶格格点为利用外加23kV/mm高压脉冲电场的方法制成的极化反转柱子，制备出二维八重(n＝8)准周期畴反转非线性光子晶体。该非线性光子晶体的正格矢空间超晶格形状为二维八重准周期结构，沿其中心轴即z轴旋转具有八重对称性，其中组成基本单元为相邻接的多边形，多边形的边长相等；其超晶格对应的倒格矢也为二维n重准周期形状分布，该类倒格矢空间在同一方向上具有不同长度的倒格矢，同时在不同方向上也存在不同长度的倒格矢。该二维八重(n＝8)准周期晶体正格矢空间的格点分布图，整个空间由相邻接的正方形和45°菱形组成，如图1所示；其中，二维八重准周期图形的中心位于x-y-z坐标系的中心点，该图形的旋转中心轴与z轴重合，且z轴垂直纸面向外；(a)和(b)为组成二维八重准周期结构的基本单元正方形和菱形；λo1、λo2、λo3和λo4分别为输入基频光λi1、λi2、λi3和λi4的共线准相位匹配倍频输出光。
本实施例的二维八重(n＝8)准周期畴反转非线性光子晶体的具体制备方法包括如下步骤1.所采用的晶体为厚度0.4mm的铌酸锂材料，首先用电子束曝光的方法制作一块具有二维八重准周期格点结构排列的掩模版，如图1所示；2.利用半导体光刻工艺将掩模版上的准周期图案转移到铌酸锂晶体+c表面的光刻绝缘胶上；3.使氯化锂过饱和溶液的液体电极与未被覆盖光刻绝缘胶的铌酸锂晶体区域充分接触进行极化，通过施加23kV/mm高压脉冲电场使该区域的畴得以极化反转，形成极化反转圆柱；并且在极化过程中使晶体处于绝缘油中来进行；4.极化完成后，擦去铌酸锂晶体表面的绝缘胶，即得到如图1所示的二维八重准周期光子晶体结构。
为了得到更加清晰的斑图，还将极化后的晶体在室温下浸泡在氢氟酸中刻蚀10～15分钟之内都可以。由于氢氟酸对于晶体+c面比-c表面的刻蚀速率快，刻蚀完成后在显微镜下即可观察到清晰的二维n重准周期格点分布图，如图2所示。
本实施例的结构由基本单元即相邻接的正方形(a)和45°菱形(b)在x-y平面内通过旋转或平移形成，超晶格格点为外加高压脉冲电场极化工艺制成的极化反转柱子，晶格常数即正方形或菱形边长为11.77μm。图3给出实施例制作的二维八重准晶结构的倒格矢分布图，可见格点分布仍为二维八重准周期排列，该倒格矢空间具用更多方向更多长度的倒格矢。
根据所给定的晶格周期，使用准相位匹配倍频条件(2k⊥i+G⊥=k⊥o,]]>其中 为倒格矢， 和 分别为入射基频光和出射倍频光的波矢)，得出本实施例中沿y轴方向一阶准相位匹配的两束基频光波长为λi1＝1.2048μm和λi2＝1.074μm，晶体中的光束走向如图1所示。此时，光子晶体的工作温度为24.5摄氏度。该共线准相位匹配倍频后所得到的光波长分别为λo1＝0.6024μm(橙光)和λo2＝0.537μm(绿光)，其中所采用的倒格矢为G1和G2(其中，G1:G2=1:2]]>)，如图3中所示。旋转45°角的整数倍可以得到相同的结果，这正是八重对称性的充分体现。同时，利用与y轴成一定对称角度方向上的倒格矢，沿y轴方向入射基频光可以实现多种不同波长的非共线准相位匹配谐频过程，其中各波长间隔最小可达到几个纳米。因此，利用同一方向不同长度的倒格矢及不同方向上不同长度的倒格矢可实现不同波长的共线及不共线准相位匹配倍频转换。在以上的倍频实验过程中，为了减小入射基频光及出射倍频光的损耗，需要入射光与出射光均垂直于晶体的侧面。
类似地，利用倒格矢空间中四种不同方向上基矢的线性组合，可得到更多不同方向上不同长度的倒格矢，例如图3中与y轴夹角为22.5°方向上的倒格矢G3和G4所示(其中，G3:G4=1+2:1]]>)。因此，利用这两种倒格矢可实现基频波长为λi3＝0.988μm和λi4＝1.429μm的共线准相位匹配倍频转换，倍频光分别为λo3＝0.494μm(青光)和λo4＝0.7145μm(红光)，晶体中的光束走向如图1所示。旋转45°角的整数倍可以得到相同的结果。
并且，改变其晶格常数，相应倍频所需的基频波长也会相应地改变，由此实现更多种波长的频率转换。
实施例2采用不同种多重对称结构的准晶结构可以实现另外不同种波长的频率转换。
参考图4，本实施例中光子晶体与实施例1中光子晶体的晶格均为二维准周期分布，不同之处在于此结构分布具用十重(n＝10)对称性，如图4所示。对于十重准晶结构而言，基本结构单元为36°瘦菱形(a)和72°胖菱形(b)的组合，其中瘦菱形的内角为36°和144°，胖菱形的内角为72°和108°。本实施例中以此组合而成的二维十重准晶结构为例进行分析。在二维八重准晶中四种基矢(即y轴或旋转45°角的整数倍)方向各格点间的长度比为 ；十重准晶中五种基矢方向上各格点间的长度比为1.5+125-12]]>。由实施例1中对二维八重准晶的研究可知，倒格矢空间的格点分布比正格矢空间的格点更加丰富。因此，在十重准晶倒格矢空间结构中基矢方向上至少存在三种长度不等的倒格矢，这有利于更多种基频光谐频过程的产生。同时，在与y轴夹角为18°度的方向上同样存在着丰富的倒格矢。因此，通过这些同一方向上不同长度的倒格矢及不同方向上不同长度的倒格矢可实现更多种基频光的共线及非共线准相位匹配倍频转换。旋转36°角的整数倍可以得到相同的结果。由此，增加二维准晶的重数可为实现准连续波长的谐频转换奠定了一定的基础。
本实施例的二维十重(n＝10)准周期畴反转非线性光子晶体的具体制备方法包括如下步骤1.所采用的晶体为磷酸钛酸钾材料，首先用电子束曝光的方法制作一块具有二维十重准周期格点结构排列的掩模版；2.利用半导体光刻工艺将掩模版上的准周期图案转移到磷酸钛酸钾+c表面的光刻绝缘胶上；3.使氯化锂过饱和溶液的液体电极与未被覆盖光刻绝缘胶的磷酸钛酸钾+c表面区域充分接触进行极化，通过施加18kV/mm高压脉冲电场使该区域的畴得以极化反转，形成极化反转圆柱；并且在极化过程中使晶体处于绝缘油中来进行；4.极化完成后，擦去磷酸钛酸钾+c表面上的绝缘胶，即得到二维十重准周期非线性光子晶体。
5.为了得到更加清晰的斑图，还将极化后的晶体在室温下浸泡在2∶1配比的氢氧化钾和硝酸钾混合溶液中刻蚀10～15分钟之内都可以。
权利要求
1.一种具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体，为铁电晶体材料；其特征在于，在该铁电晶体材料+c表面上转印成二维n重准周期图案，其超晶格格点为外加高压脉冲电场极化形成的反转圆柱，所述光子晶体正格矢空间的超晶格形状为二维n重准周期形状，沿其中心轴旋转具有n重对称性，其基本单元为相邻接的多边形，其中多边形的边长相等；所述超晶格对应的倒格矢分布也为二维n重准周期形状，该类倒格矢空间中不仅在同一方向上具有不同长度的倒格矢，并且在不同方向上也存在不同长度的倒格矢。
2.根据权利要求1所述的具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体，其特征在于，所述的铁电晶体材料包括铌酸钾、钽酸钾、硼酸钡、磷酸二氢钾和磷酸钛酸钾材料。
3.根据权利要求1所述的具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体，其特征在于，所述的n重为n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
4.一种具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体通过如下方法制备，其特征在于包括如下步骤(a).首先制备好具有二维n重准周期图案的光刻工艺用的掩模版；(b).然后在干净的铁电晶体材料+c表面涂一层光刻绝缘胶，利用步骤(a)制备的光刻工艺用掩模版，通过光刻工艺将二维n重准周期图案转移到铁电晶体材料+c表面上；(c).极化采用氯化锂液体电极，使氯化锂过饱和溶液的液体电极与未被覆盖铌酸锂晶体部分充分接触进行极化，将10～30kV/mm的高压脉冲电场施加在步骤(b)得到的表面带有二维n重准周期图案的铁电晶体材料+c上没有被绝缘胶覆盖的区域进行极化，使该区域的铁电晶体材料+c得以极化，其超晶格格点为高压脉冲电场极化工艺制成的极化反转圆柱；晶体的极化方向与二维准晶结构的中心轴平行；(d).在极化过程中通常使晶体处于绝缘油中来进行；(e).极化完成后，擦除铁电晶体材料+c表面的光刻绝缘胶，即可得到具有二维n重准周期非线性光子晶体。
5.按权利要求4所述的制备具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期期光子晶体方法，其特征在于，还包括步骤5，将极化后的晶体表面进行刻蚀，其刻蚀液根据晶体种类选择。
6.按权利要求5所述的制备具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体方法，其特征在于，所述的刻蚀液为氢氟酸，将极化后的铌酸锂光子晶体在室温下浸泡在氢氟酸中10～15分钟。
7.按权利要求5所述的制备具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体方法，其特征在于，所述的刻蚀液为2∶1配比的氢氧化钾和硝酸钾混合溶液，将极化后的磷酸钛酸钾光子晶体放在该混合溶液中刻蚀10～15分钟。
8.按权利要求4所述的制备具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体方法，其特征在于，所述的n重为n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
全文摘要
本发明涉及一种具有多方向多波长准相位匹配倍频的二维准周期光子晶体，采用铁电晶体材料，其表面上转印成二维n重准周期图案，外加高压脉冲极化该晶体，晶体的超晶格格点被极化制成极化反转圆柱，超晶格形状为二维n重准晶排列；超晶格对应的倒格矢也是二维n重准晶形状；晶体的极化方向与二维准晶结构的中心轴平行。该光子晶体可以在不同的角度对多束不同波长的光波进行倍频；同时旋转一定的角度可得到相同的结果，降低了频率转换中转换效率对角度的敏感性；利用具有高重对称性的二维准晶结构可为实现准连续波长的倍频转换奠定一定的理论和实验基础。
文档编号G02F1/35GK1690826SQ20041000902
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者马博琴, 王霆, 倪培根, 王义全, 程丙英, 张道中 申请人:中国科学院物理研究所