CN105403935A - 白光致三维光子晶体的制备方法及装置 - Google Patents

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付刚
刘照红
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Abstract

一种白光致三维光子晶体的制备方法及装置，其利用白炽灯发出的完全非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿X轴方向以及沿Y轴方向将载有暗斑的振幅掩模成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体上。分别沿X轴和Y轴方向在LiNbO3:Fe晶体内写出两组相互垂直的二维光子晶体，上述两组相互垂直的二维光子晶体叠加形成三维光子晶体。本发明方法简单，成本低，所得到的光子晶体存储时间长。

Description

白光致三维光子晶体的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及一种白光致三维光子晶体的制备方法及装置。
背景技术
光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(PhotonicBandstructures)。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(PhotonicBandGap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。光子晶体在光通信、光互联和集成光学等领域有着非常重要的应用。
光子晶体的制备方法有许多种，包括机械打孔法、层层堆积法、胶体自组装法、激光全息干涉法等等。一直以来，在体介质中制作微观尺寸的三维光子晶体是人们比较关注的课题。在文献“Reconfigurable3Dphotoniclatticesbyopticalinductionforopticalcontrolofbeampropagation”(P.Zhang,N.K.Efremidis,et.al.,AppliedPhysicsB,(2011)104:553-560)中用氩离子激光器作光源，在SBN晶体中制作了三维光子晶体。所采用的方法是沿相互垂直的两个方向入射光，利用Talbot效应在晶体中制作两组二维光子晶体，叠加后形成三维光子晶体。文献中采用的光是相干光，光源价格比较昂贵，维护成本高，光路复杂。所采用的材料SBN响应快，擦除也快，所以储存时间非常短。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种光路简单、制备成本低、存储时间长的白光致三维光子晶体的制备方法及装置。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种白光致三维光子晶体的制备方法，包括如下步骤：
a)设定立方体结构的LiNbO3:Fe晶体的光轴方向为Z轴；
b)波长范围在380～750nm的非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿X轴方向通过载有暗斑的振幅掩模，并通过成像透镜将该振幅掩模上的暗斑阵列成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体X轴方向的侧面上，在该侧面内写入折射率周期性变换的二维光子晶体；
c)利用波长范围在380～750nm的非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿Y轴方向通过载有暗斑的振幅掩模，并通过成像透镜将该振幅掩模上的暗斑阵列成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体Y轴方向的侧面上，在该侧面内写入折射率周期性变换的二维光子晶体；
d)相互垂直的两组二维光子晶体叠加，形成三维光子晶体。
为了实现监测，还包括分别通过CCD监测步骤a)以及步骤b）中LiNbO3:Fe晶体X轴以及Y轴方向出射面。
为了进一步降低制作成本，上述振幅掩模采用Photoshop制作出暗斑阵列，之后打印在透明片上的方法制成。
一种实现本发明所述白光致三维光子晶体制备方法的装置，包括：
LiNbO3:Fe晶体9，其呈立方体结构；
用于发出非相干白光的光源Ⅰ、准直透镜Ⅰ、载有暗斑的振幅掩模Ⅰ以及与准直透镜Ⅰ光学对准的成像透镜Ⅰ，其依次沿X轴方向设置于LiNbO3:Fe晶体一侧；以及
用于发出非相干白光的光源Ⅱ、准直透镜Ⅱ、载有暗斑的振幅掩模Ⅱ以及与准直透镜Ⅱ光学对准的成像透镜Ⅱ，其依次沿Y轴方向设置于LiNbO3:Fe晶体一侧。
上述光源Ⅰ为白炽灯Ⅰ，所述光源Ⅱ为白炽灯Ⅱ。
为了实现监测，还包括沿X轴相对白炽灯Ⅰ设置于LiNbO3:Fe晶体另一侧的透镜Ⅲ，所述透镜Ⅲ后方设置有CCDⅠ。
为了实现监测，还包括沿Y轴相对白炽灯Ⅱ设置于LiNbO3:Fe晶体另一侧的透镜Ⅳ，所述透镜Ⅳ后方设置有CCDⅡ。
本发明的有益效果是：通过非相干白光发出的光线在LiNbO3:Fe晶体相互垂直的两个面上形成的二维光子晶格叠加形成三维光子晶体，因此LiNbO3:Fe晶体可以提供较长的存储时间（大概十天）。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图中，1.白炽灯Ⅰ2.白炽灯Ⅱ3.准直透镜Ⅰ4.载有暗斑的振幅掩模Ⅰ5.成像透镜Ⅰ6.准直透镜Ⅱ7.载有暗斑的振幅掩模Ⅱ8.成像透镜Ⅱ9.LiNbO3:Fe晶体10.透镜Ⅲ11.CCDⅠ12.透镜Ⅳ13.CCDⅡ14.衰减器。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种白光致三维光子晶体的制备方法，包括如下步骤：
a)设定立方体结构的LiNbO3:Fe晶体的光轴方向为Z轴；
b)波长范围在380～750nm的非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿X轴方向通过载有暗斑的振幅掩模，并通过成像透镜将该振幅掩模上的暗斑阵列成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体X轴方向的侧面上，在该侧面内写入折射率周期性变换的二维光子晶体；
c)利用波长范围在380～750nm的非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿Y轴方向通过载有暗斑的振幅掩模，并通过成像透镜将该振幅掩模上的暗斑阵列成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体Y轴方向的侧面上，在该侧面内写入折射率周期性变换的二维光子晶体；
d)相互垂直的两组二维光子晶体叠加，形成三维光子晶体。非相干白光是具有相位统计分布的包含多种波长的混和光（自然光），其可见光的波长范围在380～750nm。通过非相干白光发出的光线在LiNbO3:Fe晶体相互垂直的两个面上形成的二维光子晶格叠加形成三维光子晶体，可以提供较长的存储时间（大概十天）。
进一步的，还包括分别通过CCD监测步骤a)以及步骤b）中LiNbO3:Fe晶体X轴以及Y轴方向出射面，进一步提高白光致三维光子晶体制备过程中的可控性。
振幅掩模采用Photoshop制作出暗斑阵列，之后打印在透明片上的方法制成。这种方法简单，成本低，可控性好。我们可以任意选择暗斑的尺寸以及阵列的周期。考虑其它实验条件的影响，为了有比较好的写入效果，我们选择暗斑的尺寸为250μm，暗斑阵列的周期为400μm，500μm，600μm。暗斑阵列经过透镜成像至晶体的入射面时，暗斑阵列的周期为40μm，50μm，60μm。周期为50μm时，效果较好。
本发明还涉及一种白光致三维光子晶体制备方法的装置，包括：LiNbO3:Fe晶体9，其呈立方体结构；用于发出非相干白光的光源Ⅰ、准直透镜Ⅰ3、载有暗斑的振幅掩模Ⅰ4以及与准直透镜Ⅰ3光学对准的成像透镜Ⅰ5，其依次沿X轴方向设置于LiNbO3:Fe晶体9一侧；以及用于发出非相干白光的光源Ⅱ、准直透镜Ⅱ6、载有暗斑的振幅掩模Ⅱ7以及与准直透镜Ⅱ6光学对准的成像透镜Ⅱ8，其依次沿Y轴方向设置于LiNbO3:Fe晶体9一侧。LiNbO3:Fe晶体9的两个相互垂直的表面分别照射形成二维光子晶体，两组相互垂直的二维光子晶体叠加形成三维光子晶体。
上述光源Ⅰ为白炽灯Ⅰ1，光源Ⅱ为白炽灯Ⅱ2，白炽灯价格低廉，大大降低制备成本。
进一步的，还可以包括沿X轴相对白炽灯Ⅰ1设置于LiNbO3:Fe晶体9另一侧的透镜Ⅲ10，所述透镜Ⅲ10后方设置有CCDⅠ11。同时还可以包括沿Y轴相对白炽灯Ⅱ2设置于LiNbO3:Fe晶体9另一侧的透镜Ⅳ12，透镜Ⅳ12后方设置有CCDⅡ13。透镜Ⅲ10以及透镜Ⅳ12将X轴方向以及Y轴方向LiNbO3:Fe晶体的出射面进行监测。

Claims (7)

1.一种白光致三维光子晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)设定立方体结构的LiNbO3:Fe晶体的光轴方向为Z轴；
b)波长范围在380～750nm的非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿X轴方向通过载有暗斑的振幅掩模，并通过成像透镜将该振幅掩模上的暗斑阵列成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体X轴方向的侧面上，在该侧面内写入折射率周期性变换的二维光子晶体；
c)利用波长范围在380～750nm的非相干白光经准直透镜变换为准平行光后沿Y轴方向通过载有暗斑的振幅掩模，并通过成像透镜将该振幅掩模上的暗斑阵列成像在立方体结构的LiNbO3:Fe晶体Y轴方向的侧面上，在该侧面内写入折射率周期性变换的二维光子晶体；
d)相互垂直的两组二维光子晶体叠加，形成三维光子晶体。
2.根据权利要求1所述的白光致三维光子晶体的制备方法，其特征在于：还包括分别通过CCD监测步骤a)以及步骤b）中LiNbO3:Fe晶体X轴以及Y轴方向出射面。
3.根据权利要求1或2所述的白光致三维光子晶体的制备方法，其特征在于：所述振幅掩模采用Photoshop制作出暗斑阵列，之后打印在透明片上的方法制成。
4.一种实现权利要求1所述白光致三维光子晶体制备方法的装置，其特征在于，包括：
LiNbO3:Fe晶体（9），其呈立方体结构；
用于发出非相干白光的光源Ⅰ、准直透镜Ⅰ（3）、载有暗斑的振幅掩模Ⅰ（4）以及与准直透镜Ⅰ（3）光学对准的成像透镜Ⅰ（5），其依次沿X轴方向设置于LiNbO3:Fe晶体（9）一侧；以及
用于发出非相干白光的光源Ⅱ、准直透镜Ⅱ（6）、载有暗斑的振幅掩模Ⅱ（7）以及与准直透镜Ⅱ（6）光学对准的成像透镜Ⅱ（8），其依次沿Y轴方向设置于LiNbO3:Fe晶体（9）一侧。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述光源Ⅰ为白炽灯Ⅰ（1），所述光源Ⅱ为白炽灯Ⅱ（2）。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：还包括沿X轴相对白炽灯Ⅰ（1）设置于LiNbO3:Fe晶体（9）另一侧的透镜Ⅲ（10），所述透镜Ⅲ（10）后方设置有CCDⅠ（11）。
7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：还包括沿Y轴相对白炽灯Ⅱ（2）设置于LiNbO3:Fe晶体（9）另一侧的透镜Ⅳ（12），所述透镜Ⅳ（12）后方设置有CCDⅡ（13）。
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