增强稀土掺杂硫系玻璃中红外发光的光子晶体微腔阵列及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光子晶体微腔阵列及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 光子晶体是一种折射率周期性变化的人造光学材料，光子局域和光子带隙是它的 两个最基本特征。传统的光子晶体用来抑制自发辐射，被用来制作滤波器等光学器件。目 前光子晶体已经在高效全反镜、光开关、光子晶体超棱镜、光波导、低阈值激光器等领域展 示出巨大的应用前景。在增强发光方面，可以在晶体结构中嵌入发光中心，控制光子的发射 强度和发射方向，从而实现光子能量的高效转化和定向控制。
[0003] 中红外光源在军用和民用等多个领域都具有极其重要的应用价值。目前中红外光 源的产生主要通过以下四种途径：1、采用光学参量振荡或非线性频率变换将其它波段的光 调到中红外波段。2、0) 2激光器的倍频及差频输出。3、以八16&六8313、11^&48313、11^8八111) GaSb等锑化物禁带半导体材料直接制作的中红外波段的半导体激光器。4、固体激光器栗浦 稀土离子掺杂的低声子能量玻璃光纤、晶体以及过渡金属离子掺杂的II -VI族半导体材料 的中红外激光晶体产生的红外波段激光。稀土离子掺杂硫系玻璃产生的中红外光源属于以 上的第四种途径。
[0004] 目前增强稀土掺杂硫系玻璃中红外发光的方法主要有以下几种：1、通过在适当的 玻璃基质中引入合适浓度的稀土离子；2、通过稀土离子共掺，过渡金属、有机配位体敏化来 增强中红外光的输出；3、通过掺入卤化素来提高中红外发光；通过对玻璃微晶化处理来增 强中红外发光。而在上述几种方法中，中红外发光的增强效果不明显，中红外发光效率仍然 不强。中红外光源可以通过稀土掺杂低声子能量的硫系玻璃来实现，但是发光比较微弱。利 用光子晶体可以增强光的自发辐射的特点，因此在样品玻璃表面构造光子晶体微腔阵列， 可以有效地增强中红外发光。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够增加稀土掺杂硫系玻璃中红外发光 的光子晶体微腔阵列及其设计方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种增强稀土掺杂硫系玻璃中红 外发光的光子晶体微腔阵列，包括在稀土掺杂硫系玻璃材料的基底上制作得到的同种材料 的光子晶体微腔阵列，其特征在于：所述微腔阵列具有缺陷，并且该微腔阵列的谐振波长等 于上述稀土离子的发光波长。
[0007] 优选地，所述微腔阵列的占空比为0. 26~0. 44,所述光子晶体为二维三角晶格晶 体。
[0008] 优选地，所述缺陷为微腔阵列中去掉几个相连的微腔来形成，该缺陷在微腔阵列 中具有相间隔的至少两个。
[0009] 优选地，光子晶体微腔阵列通过在稀土掺杂硫系玻璃表面覆层上刻蚀或压印来制 作。
[0010] 上述光子晶体微腔阵列的设计方法，测定该光子晶体微腔阵列的材料中的稀土离 子的发光波长，设定该光子晶体微腔阵列的谐振波长等于上述稀土离子的发光波长；
[0011] 然后设定该光子晶体微腔阵列的占空比，计算出该占空比下相应的归一化频率， 然后代入上述的谐振波长计算出光子晶体微腔阵列的周期，并且计算出该占空比下的微腔 阵列结构的品质因子、模体积和Purcell放大因子；
[0012] 最后根据不同的占空比条件下，不同的微腔阵列结构的品质因子、模体积和 Purcell放大因子来选取最优化的结构，即可选定该谐振波长条件下的光子晶体微腔阵列。 [0013]与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的光子晶体微腔阵列为具有缺陷的光 子晶体微腔阵列，通过设定谐振波长为稀土离子的发光波长，然后通过设计合理的光子晶 体微腔结构，进而使稀土离子发光波长通过谐振得到大，发光强度增强，从而提高了样品内 部的发光效率，即为内量子效率。其次光子晶体结构的引入还可以减少玻璃样品表面与空 气之间光的全反射作用，使光更容易从样品内部出射。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例的光子晶体微腔阵列的结构示意图。
[0015] 图2为本发明实施例的稀土离子Er3+掺杂Ga 。& 5硫系玻璃的中红外发射光 谱图。
[0016] 图3为本发明实施例的光子晶体微腔阵列的谐振波长为2. 74 ym，占空比与微腔 阵列结构的品质因数之间的关系图。
[0017] 图4为本发明实施例的光子晶体微腔阵列的谐振波长为2. 74 ym，占空比与微腔 阵列结构的腔体积之间的关系图。
[0018] 图5为本发明实施例的光子晶体微腔阵列的谐振波长为2. 74 ym，占空比与微腔 阵列结构的放大因子之间的关系图。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0020] 为了使稀土掺杂硫系玻璃发光强度增强最大，一般需要在光子晶体微腔结构确立 的情况下对空气孔周期和半径即占空比进行优化。目前主要的设计方法只是针对高Q微 腔，并给出它的谐振波长，腔体积以及最后的Purcell放大因子。此方法的缺点是绝大部分 的高Q微腔的谐振波长都在可见光波段和微波波段，若将此结构应用到中红外波段，Q值就 很低，几乎不能起放大作用。针对上述问题，我们提出了一种在任意选定的发光波长下都可 以通过微腔结构的谐振作用得到放大的光子晶体微腔结构及其优化方法。
[0021] 本发明的光子晶体微腔阵列结构，是在稀土掺杂硫系玻璃表面覆层上刻蚀或压印 形成，该微腔阵列包括多个横向纵向间隔排列的微腔，并且多个微腔的半径相同，并且每两 个相邻的微腔的中心之间的距离相同，即所有微腔均匀分布。该微腔的个数可以是数万个， 也可以是更多，该多个微腔排列成六角形的光子晶体微腔阵列，也可以无序排列。该光子晶 体微腔阵列通过在稀土掺杂硫系玻璃表面覆层上刻蚀或压印来制作。
[0022] 该微腔阵列中具有缺陷，该缺陷是在微腔阵列中去掉几个相连的微腔来形成，该 缺陷在微腔阵列中具有相间隔的至少两个，只要该微腔阵列具有缺陷、具有缺陷模即可，进 而可以通过合理的设计使得微腔阵列的谐振波长等于稀土离子的发光波长，因此，就可以 增强该稀土掺杂硫系玻璃中的红外发光。
[0023] 所述的稀土掺杂硫系玻璃为具有低声子能量的硫系玻璃，稀土离子一般选用Er、 Ho、Dy、Pr、Tm 这五种。
[0024] 上述光子晶体微腔阵列的设计方法，先在给定微腔阵列的材料的前提下，即该材 料的稀土离子的发光波长A 1-定的情况下，设定该光子晶体微腔阵列的谐振波长A = A1，利用在占空比一定的情况下微腔缺陷模的归一化频率（a/X )也不会发生改变的特性， 通过设定一个占空比，即可通过FDTD算法计算得到归一化频率（a/ A )，即在固定一个归一 化频率的前提下，可计算得出该微腔阵列的周期a，最后周期a乘以此时的占空比便可相应 得到微腔的半径r。这样即可设计出该光子晶体微腔阵列的结构。稀土离子的发光波长A 1 可以通过栗浦源栗浦后通过测量其发射光谱得到。
[0025] 因此在一定的谐振波长A = ，选取不同的占空比的情况下都有一种谐振波 长都等于发光波长的光子晶体微腔结构，即都有不同的a和r，最后计算出各占空比下