一种制作三维光子晶格或光子准晶的方法与流程

本发明涉及光子微结构制造领域，特别是一种可制作三维光子晶格或光子准晶的方法及其装置。

背景技术：

光子晶格是一种介电系数呈周期性分布的人工结构，它是一种新型的光子学材料，属于光子学微结构的范畴。二维和三维的光子晶格为全光信息处理以及微纳光子学中操纵光子运动行为提供了一种新的可能。光子准晶是结合了准晶结构与光子微结构特点的一种新型光子学材料，它具有高度的旋转对称性，这对结构的光学性质产生了显著的影响。研究发现，光子准晶结构具备很多在周期性光子微结构中不存在的有趣特性，因此，光子准晶是一种更具应用价值的光子学材料。目前，制作光子学微结构的方法主要有扩散法、离子注入法、机械钻孔法、刻蚀法、薄膜沉积法等。这些方法大部分存在工艺复杂、制作困难、成本高、难于制作多种形态结构等缺点。尤其是对于具有高度旋转对称性的光子准晶类结构，采用传统的制作方法几乎不可能进行制作。光感应法制作光子学微结构是结合了多个相干平面波干涉以及光折变介质的光致折射率变化特性来产生微结构的。光折变介质在光强周期性调制的辐照光照射下，介质的折射率会发生相应的改变，形成光感应的折射率微结构，即光折变光子晶格。目前人们在光折变介质中制作一维、二维光子晶格已经做了很多研究，发现了很多有趣的现象，如分离衍射、带隙孤子等。三维的光子晶格或光子准晶结构无疑会具有更多新的性质和现象。然而，三维的光子学微结构由于结构复杂，其制作难度要比二维的微结构大的多。目前，在块状介质中制作三维的光子学微结构仍然面临着较大的困难。

理论研究表明，若干个平面波在一定配置下发生干涉可以产生光强呈三维点阵分布的干涉光场。例如，(n+1)束平面波干涉可以产生空间光强分布呈现三维点阵形态的干涉光场。其光束配置为中央光束周围以一定倾角环绕着n个侧光束，每个侧光束与中心光束的夹角均相等，相邻侧光束之间的夹角也两两相等，这构成了一种伞形配置。(n+1)束平面波干涉的光强空间分布由下式给出：

这里分别代表了发生干涉光束的复振幅、波矢、位置矢量和初始相位。通过改变中心光束和侧光束之间的夹角可以控制干涉光场的周期尺度。不同的n值对应着不同的三维空间光强分布。当n=3，4，6时，(n+1)束平面波干涉产生的是空间强度分布为三维周期性点阵的干涉光场。而当n=5，或者n大于等于7时，(n+1)束平面波干涉可获得三维准周期分布的干涉光场。这为光感应法制作三维的光子晶格或光子准晶结构提供了可能。然而，多光束干涉往往需要搭建复杂的光学系统来实现。干涉所需的光束数目越多，系统的复杂程度越高。这导致装置的稳定性降低，对制作很不利。尤其是对于(n+1)束光干涉，用传统的干涉方法几乎难以实现。此外，复杂装置增大了投入，抬高了制作成本。因此，针对目前制作方法中存在的技术瓶颈，亟需一种简便、可靠、灵活、低成本的制作三维光子晶格或光子准晶的方法和装置。

技术实现要素：

本发明提供了一种结构稳定、操作简单、易于实现的可制作多种三维光子晶格或光子准晶的方法及其制作时所用的装置。

实现本发明的技术方案是：一种制作三维光子晶格或光子准晶的方法，步骤如下：将激光器发出的激光束经过扩束镜扩束，扩束后变为宽平行光束照射到中央开孔的多楔面棱镜上；中央开孔的多楔面棱镜将宽平行光束转变成多个相互叠加的光束，形成三维干涉光场；将光折变材料放置在三维干涉光场中，经过曝光，制作出三维光子晶格或光子准晶。

所述激光器、扩束镜、中央开孔的多楔面棱镜、光折变材料从左至右依次设置，并设于同一个光轴上。

所述中央开孔的多楔面棱镜中心部分开有通光孔，中央开孔的多楔面棱镜的楔面数为n（n≥3），每个楔面的楔角相等，中央开孔的多楔面棱镜将宽平行光束转变成相互叠加的（n+1）束光，形成三维干涉光场。

所述光折变材料的敏感波长与激光器的输出波长一致。

所述中央开孔的多楔面棱镜的通光孔形状可以是圆形、正方形、正五边形或其他形状。

为了制作三维光子晶格或光子准晶结构，本发明给出了一种可制作三维光子晶格或光子准晶的装置。该装置从左至右依次设有激光器、扩束镜、中央开孔的多楔面棱镜、光折变材料。所述激光器、扩束镜、中央开孔的多楔面棱镜、光折变材料设于同一个光轴上。

所述中央开孔的多楔面棱镜，其楔面数为n（n≥3），且每个楔面的楔角均相等，在棱镜的中间部分开有通光孔。宽平行光照射中央开孔的多楔面棱镜后可转变为（n+1）束光，其中每个楔面产生的光束都会向着中心光轴的方向发生偏转，而通过中心通光孔的光束传播方向保持不变，仍然沿着中心光轴方向。这样n个楔面产生的n个光束和通光孔产生的1束中央光束就构成了一个伞形配置，即n个侧光束环绕在1个中央光束周围。在中央开孔的多楔面棱镜后面的一定位置处，该（n+1）束光会产生叠加并发生干涉，从而形成（n+1）束光的三维干涉光场。

所述光折变材料的敏感波长与激光器的输出波长一致，如光折变铌酸锂晶体对波长为488nm、532nm、632.8nm和650nm的激光均具有良好的光折变敏感性。

本发明的有益效果为：

（1）本发明的装置结构简单，稳定性好，不需要精密的调节设备。仅需要单个中央开孔的多楔面棱镜就能实现（n+1）束光干涉，产生三维的干涉光场，进而制作出三维光子晶格或光子准晶结构，制作过程简单可靠。

（2）本发明的装置中无需专门的昂贵设备，制作成本低，易于实现。所述的中央开孔的多楔面棱镜材质是光学玻璃，易于加工和批量生产。

（3）本发明的方法可以制作多种三维光子晶格或光子准晶结构，具有较高的灵活性和可扩展性。

（4）本发明的装置中采用的光折变材料是铌酸锂晶体，该晶体对可见光和近红外的波段的激光均具有良好的灵敏度，可以适应多种激光光源，扩大了该装置的应用范围。

附图说明

图1是本发明中央开孔的多楔面棱镜产生多光束干涉的示意图。

图2是本发明制作三维光子晶格或光子准晶的装置示意图，图中采用的是中央开孔的四楔面棱镜。

图3是本发明利用中央开孔的六楔面棱镜制作的三维周期性光子晶格结构。

图4是本发明利用中央开孔的五楔面棱镜制作的三维光子准晶结构。

具体实施方式

如图1、2所示，一种可制作三维光子晶格或光子准晶的方法，将激光器1发出的激光束经过扩束镜2扩束，扩束后变为宽平行光束照射到中央开孔的多楔面棱镜3上；中央开孔的多楔面棱镜3将宽平行光束转变成相互叠加的（n+1）束光，形成三维干涉光场；将光折变材料4放置在三维干涉光场中，经过曝光，制作出三维光子晶格或光子准晶结构。

中央开孔的多楔面棱镜3是一种具有多个相等楔面并且中央开有通光孔的光学元件，其中每个楔面具有相同的楔角，棱镜中央的通光孔形状可以是圆形、正方形、正五边形或其他形状。中央开孔的多楔面棱镜3产生多光束干涉的示意图如图1所示。

实施例1

如图3所示，利用中央开孔的六楔面棱镜，产生（6+1）束光干涉，在光折变材料中制作出了三维周期性光子晶格结构。本实例中，使用的激光器是波长为532nm的固体激光器，功率为100mW，光折变材料为铌酸锂晶体。

其中(a)是中央开孔的六楔面棱镜及其产生的（6+1）束光干涉配置的示意图；(b)是制作的三维周期性光子晶格结构的正面图、侧面图（右上角插图）。

实施例2

如图4所示，利用中央开孔的五楔面棱镜制作的三维光子准晶结构。(a)是中央开孔的五楔面棱镜及其产生的（5+1）束光干涉配置的示意图；(b)是制作的三维光子准晶结构的正面图、侧面图（右上角插图）。