本发明涉及光子晶体周期控制技术领域，尤其涉及一种通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法。
背景技术：
光子晶体是一种介电常数(或折射率)在空间呈周期性排列的光子微结构，是一种新型的人造光学材料。人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到操纵和控制光子运动的目的。
与普通晶体一样，光子晶体的周期排列使其具有能带结构，光子能带之间可能存在光子带隙或光子禁带。在光子带隙或禁带范围里的电磁波不能在光子晶体里传播，而频率位于能带里的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播。光子晶体带隙的宽度和位置与光子晶体的折射率比值、周期排列的尺寸及排列规则都有关系，控制光子晶体的晶格周期能够一定程度上控制光子晶格的带隙。
传统的制作光子晶体的方法有离子交换、离子束注入、刻蚀以及薄膜沉积等，这些方法存在设备复杂，工艺复杂、成本昂贵，生产效率较低的缺点，限制了光子晶体的实用化。光诱导技术是一种结合了多束相干光的干涉特性和光折变材料的激光敏感特性的方法，常用来制作基于光折变效应产生的光子晶体。通过不同数目的激光束干涉并辐照光折变材料，在光折变材料内部形成各种各样的周期和准周期的光子晶格。光折变光子晶格的制作工艺简单，涉及的设备也相对简单，成本较低，制作的光子晶格结构具有较长的暗存储时间，且光折变材料经退火后可循环使用。因此，光折变光子晶体具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
利用多光楔棱镜实现多个宽光束的干涉是一种重要的制备光折变光子晶体的光诱导技术，它的最大优点在于光路简单、设备复杂度低、成本低。利用该技术所制备的光子晶体具有面积大的特点，从而在光通信、光网络、光计算和集成光学中具有重要的应用价值。目前利用多光楔棱镜制备光子晶体还停留在二维或三维结构的光子晶体的制备可行性上，尚无法进一步深入地理解并调控所制备的光子晶体的横向和纵向周期，从而达到调控光子晶格带隙的目的。
技术实现要素：
本发明通过对光子晶格横向周期和纵向周期的研究、提出了一种通过调节多光楔棱镜顶部楔角调节光子晶体横向和纵向周期的方法和装置。
本发明提出的通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法，包括以下步骤：
步骤一：宽直径平行光束经过多光楔棱镜的光楔后偏转，宽直径平行光束的中心部分经过多光楔棱镜的中心孔后不改变方向地继续前行，偏转后的光束和直行的光束交汇，在交汇区域内产生干涉；
步骤二：通过调节光楔顶角α，可以改变经过光楔后偏转的光束的传播方向，达到调控相干光交叠干涉形成光子晶体的周期的目的。
本发明提出的通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法中，所述宽直径平行光束的偏转角β、光楔折射率n和光楔顶角α之间满足关系式：
β＝(n-1)α(1)。
如果将激光光束的波函数表示为：
式中ψ为波的波函数，
本发明提出的通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法中，所述经过多光楔棱镜产生光束干涉叠加后形成的光子晶体的总波函数可以表示为：
式中ψi为多光束干涉叠加后形成的光子晶格的总波函数，ψ0为经过中心孔的光束波函数，ψ1～ψn为经光楔偏转后的光束波函数。
本发明的有益效果在于：本发明首次详细研究了几束平行光束交叉干涉叠加形成的三维光子晶体点阵的数学表达，仿真模拟出了三维立体的光子晶体点阵视图，并与实验结果相一致。研究了这类光子晶体的晶格参数，找出了点阵周期与光楔楔角的依赖关系，发现这类三维光子晶体由三套三维子点阵嵌套交互在一起构成，与二维的光子晶体完全不同。上述研究使我们可以人为操控这类光子晶体的产生，获得人们想要的任意周期的光子晶体。
附图说明
图1为平行光束经过双光楔棱镜后变成三束光交汇干涉示意图。
图2a为三光楔棱镜示意图；图2b为五光楔棱镜示意图。
图3为仿真示意图。图3a为光楔楔角为3.5°时三角光子晶格的光强分布示意图；图3b为其侧面(yz平面)光强分布示意图；图3c为光楔楔角为10°时三角光子晶格的光强分布示意图；图3d为其侧面(yz平面)光强分布示意图。
图4a为三维三角光子晶格可由a、b和c三套点阵组成的仿真示意图；图4b为三套点阵在光束传播方向上的周期变化仿真示意图。
图5为三光楔棱镜楔角与干涉光强z轴方向周期的关系曲线仿真示意图。
图6为仿真示意图。图6a为光楔楔角为3.5°时五角准晶光子晶格的光强分布示意图；图6b为其侧面(yz平面)光强分布示意图；图6c为光楔楔角为10°时五角准晶光子晶格的光强分布示意图；图6d为其侧面(yz平面)光强分布示意图。
图7为实验效果图。图7a为光楔楔角为3.5°时三角光子晶格正面(xy平面)的光强分布示意图；图7b为其侧面(yz平面)光强分布示意图；图7c为光楔楔角为10°时三角光子晶格正面(xy平面)的光强分布示意图；图7d为其侧面(yz平面)光强分布示意图。
图8为实验效果图。图8a为光楔楔角为3.5°时五角准晶光子晶格正面(xy平面)的光强分布示意图；图8b为其侧面(yz平面)光强分布示意图；图8c为光楔楔角为10°时五角准晶光子晶格正面(xy平面)的光强分布示意图；图8d为其侧面(yz平面)光强分布示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
本发明提出了一种通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法，包括以下步骤：
步骤一：宽直径平行光束经过多光楔棱镜的光楔后偏转，宽直径平行光束的中心部分经过多光楔棱镜的中心孔后不改变方向地继续前行，在干涉区域内交汇，产生干涉；
步骤二：通过调节光楔顶角α，可以改变经过光楔后偏转的光束的传播方向，达到调控相干光交叠干涉形成光子晶体的周期的目的。
本发明提出的通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法中，所述宽直径平行光束的偏转角β、光楔折射率n和光楔顶角α之间满足关系式：
β＝(n-1)α(1)。
如果将激光光束的波函数表示为：
式中ψ为波的波函数，
本发明提出的通过调节多光楔棱镜顶角控制光子晶体周期的方法中，所述经过多光楔棱镜产生光束干涉叠加后形成的光子晶格的总波函数可以表示为：
式中ψi为多光束干涉叠加后形成的光子晶格的总波函数，ψ0为经过中心孔的光束波函数，ψ1～ψn为经光楔偏转后的光束波函数。
实施例
如图1所示，一束宽直径平行光束经过双光楔棱镜后变成三束光交汇干涉的示意图。宽直径平行光束的上半部分经过双光楔棱镜的上半个光楔后向下偏转，而宽直径平行光束的下半部分经过双光楔棱镜的下半个光楔后向上偏转，宽直径平行光束的中心部分经过双光楔棱镜的中心孔后不改变方向地继续前行。三束光在图1所示的干涉区域内交汇，产生干涉。平行光束经过光楔棱镜后，光的传播方向发生偏转。光束的偏转角β与光楔折射率n，光楔顶角α之间满足关系式：
β＝(n-1)α(1)
通过调节α，可以改变经过上半个光楔后向下偏转的光束及经过下半个光楔后向上偏转的光束的传播方向，达到调控三束相干光交叠干涉形成光子晶体的周期的目的。
如图2所示的三光楔棱镜和五光楔棱镜的示意图，以三光楔棱镜和五光楔棱镜为例说明通过调节光楔顶角对光子晶体的周期进行控制。
图3说明改变光楔顶角的角度可以改变三光束产生的干涉图案的周期，从而达到控制光子晶体的周期的目的。图3展示通过仿真计算得到的三光楔棱镜产生的三角晶格光子晶体的光强分布与光楔顶角的关系，图3a和3b分别为使用楔角为3.5°三光楔棱镜产生的立体光强分布和侧面光强分布，图3c和3d分别为使用楔角为10°三光楔棱镜产生的立体光强分布和侧面光强分布。经过对比能明显发现使用楔角为10°的三光楔棱镜产生的干涉光强分布周期要远小于使用楔角为3.5°的三光楔棱镜产生的干涉光强分布周期。
图4展示三光楔棱镜产生的三角光子晶格的光强分布与光楔顶角的关系。图4a展示三维三角光子晶格由x-y平面中的a，b，c三套光子晶格或三套干涉光斑嵌套构成，图4b为三套光斑光强在z轴传播方向上随z轴变化而变化的曲线，三套光斑都具有相同的周期。a、b、c三种晶格相互嵌套最终生成图3所示的立体图案。
经过进一步的仿真分析，可以得到三光楔棱镜产生的空间干涉光强分布在z轴方向上的周期与三光楔棱镜楔角的关系(如图5所示)。图5中横坐标为三光楔棱镜楔角，纵坐标为三光楔棱镜产生的空间干涉光强分布在z轴方向上的周期。随着三光楔棱镜楔角增大，其产生的空间光强分布在z轴方向上的周期减小。
图6说明改变光楔顶角的角度可以改变五光束产生的干涉图案的周期，从而达到控制五角光子准晶的周期的目的，图6展示五光楔棱镜产生的五角晶格光子准晶的光强分布与光楔顶角的关系。图6a和6b分别为使用楔角为3.5°五光楔棱镜产生的立体光强分布和侧面光强分布，图5c和5d分别为使用楔角为10°五光楔棱镜产生的立体光强分布和侧面光强分布。经过对比能明显发现使用楔角为10°的五光楔棱镜产生的干涉光强分布周期要远小于使用楔角为3.5°的五光楔棱镜产生的干涉光强分布周期。
图7和图8分别展示了与图3和图6对应的三角光子晶格和五角准晶光子晶格的实验结果。实验证明了我们的仿真结果，并证明了通过改变光楔棱镜顶部楔角可以调节产生的光子晶格在xy平面的周期和yz平面的周期。图7a和7c分别对应于图3的xy平面，图7b和7d分别对应于图3的yz平面。图7a和7b对应于光楔楔角为3.5°时的三角光子晶格，图7c和7d则对应于光楔楔角为10°时的三角光子晶格。
同样，图8a和8c分别对应于图6的xy平面，图8b和8d分别对应于图6的yz平面。图8a和8b对应于光楔楔角为3.5°时的五角准晶光子晶格，图8c和8d则对应于光楔楔角为10°时的五角准晶光子晶格。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。