CN107561604A - 一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法及装置，其中，所述方法包括：将预设相位灰度图加载于空间光调制器上，以对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制；将经过相位调制的光波输入第一透镜，以使得通过所述第一透镜之后得到经过傅里叶变换的光信号；在所述第一透镜的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波；将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜，将光信号聚焦为相干图样；其中，所述相干图样中光束点之间的距离与所述第一透镜的频谱面上的灰度值与像素值的比值是正比例关系。本申请提供的技术方案，能够制备大面积对比度较高的结构，同时还可以突破传统的硬件极限来控制结构的大小。

Description

一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法及装置

技术领域

本发明涉及光子晶体技术领域，特别涉及一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法及装置。

背景技术

光子晶体的出现使得控制光子成为可能，因此光子晶体也被称为“光的半导体”或“未来半导体”。激光全息光刻是近年来在制备光子晶体热门的一个研究方向。1997年，V.Berger等人首次利用三光束相干产生的干涉图样照射聚合材料，制作了二维光子晶体，并提出了三维光子晶体的制作方案。2000年，牛津大学物理化学系Campbell等人利用四束光干涉的图样记录在SU8光刻胶中，并以此为模板填充TiO₂进行反转，得到了具有完全禁带的三维光子晶体，该方法造价低，简单易行，可以实现大面积光子晶体。这对全息光刻有巨大的推动作用。

全息技术发展至今，多光束的产生和汇聚一直都是较大的难题，在发展的过程中有利用多束激光直接叠加产生干涉图样，这种方法可以比较容易改变每一束光的参数，但是由于会利用到许多分束镜、反镜等光学元件，这就使得光路复杂且不稳定。为了解决这种问题，简化实验***，2002年德国Yu.V.Miklyaev等人利用伞形光路，设计了一种特殊的棱镜使入射光线与中心光线的夹角达到了38.9°，制作出了真正的面心立方(fcc)光子晶体。2001年日本Toshiaki Kondo等人用衍射分束器(diffractive beam splitter)将光束分成九束，选取其中五束光进行干涉得到三维光子晶体。后续，L.Jun.Wu等人在利用单棱镜实验方面进行了深入研究。利用此种方法在制作样品时可以很好地进行一次曝光或者多次曝光，可以得到对比度较高的周期性结构。但是其制备光子晶体时还是比较繁琐，需要调整光路改变光束数，为了改变一些其他的参数还需要添加不同的玻片。另外一方面就是在制备带有缺陷的光子晶体时，比较难得到带有缺陷的光子晶体，这样会大大的加大工作的难度。

因此，现有技术中的上述方法在很大的程度上限制了制备光子晶体的多样性，同时其快捷性、稳定性有待提高。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法及装置。所述技术方案如下：

一方面，一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法，所述方法包括：

将预设相位灰度图加载于空间光调制器上，以对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制；

将经过相位调制的光波输入第一透镜，以使得通过所述第一透镜之后得到经过傅里叶变换的光信号；

在所述第一透镜的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波，以滤除杂散光；

将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜，将光信号聚焦为相干图样；

所述相干图样中光束点之间的距离与所述第一透镜的频谱面上的灰度值与像素值的比值是正比例关系。

进一步地，在将预设相位灰度图加载于空间光调制器上之前，所述方法还包括：

通过氦镉激光器产生预设波长的光波，并将所述光波通过第一物镜之后输入前置透镜，以将所述预设波长的光波转换为单色平面波；

在将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜之后，所述方法还包括：

将所述第二透镜输出的光信号通过第二物镜之后聚焦为相干图样；

相应地，对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制包括：

将所述单色平面波输入空间光调制器，并在所述空间光调制器上加载预设相位灰度图，以对所述单色平面波进行相位调制。

进一步地，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。

进一步地，输入所述空间光调制器的单色平面波与所述空间光调制器输出的经过相位调制的光波之间的夹角小于7°。

进一步地，所述第一透镜的焦距为400毫米，所述第二透镜的焦距为300毫米。

进一步地，按照下述公式确定所述第一透镜的频谱面上光信号的复振幅：

其中，U_f(x_f,y_f)表示所述复振幅，x_f和y_f分别表示所述第一透镜的两个光轴，φ(x,y)表示相位离散值，Γ[*]表示量化函数，DFT表示离散傅里叶变换，f表示所述第一透镜的焦距，λ表示光波波长，j表示虚数。

另一方面，一种基于空间光调制器制备光子晶体的装置，所述装置包括激光器、空间光调制器、第一透镜、滤波组件以及第二透镜，其中：

所述激光器，用于产生预设波长的光波，并将所述光波输入所述空间光调制器；

所述空间光调制器，用于加载预设相位灰度图，并利用所述预设相位灰度图对所述光波进行相位调制；

所述第一透镜，用于对经过相位调制的光波进行傅里叶变换，以得到经过傅里叶变换的光信号；

所述滤波组件，用于在所述第一透镜的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波，以滤除所述经过傅里叶变换的光信号中的杂散光；

所述第二透镜，用于将所述滤除杂散光后的光信号聚焦为相干图样；所述相干图样中光束点之间的距离与所述第一透镜的频谱面上的灰度值与像素值的比值是正比例关系。

进一步地，在所述滤波组件和所述第二透镜之间还设置有衰减片，所述衰减片用于调节滤除杂散光后的光信号的强度。

进一步地，所述空间光调制器之前还包括前置透镜，所述前置透镜用于将所述预设波长的光波转换为单色平面波；

相应地，所述空间光调制器用于利用所述预设相位灰度图对所述单色平面波进行相位调制。

进一步地，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。

本发明的有益效果至少包括：

本申请的技术方案，基于空间光调制器制备周期性结构的基础上可以很轻松的改变频谱面(FT面)光点的距离，从而可以很好的滤波，进而影响结构的对比度和大小。通过这项技术可以制备大面积对比度较高的结构，同时还可以突破传统的硬件极限来控制结构的大小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式中基于空间光调制器制备光子晶体的方法流程图；

图2是本发明实施方式中基于空间光调制器制备光子晶体的装置结构示意图；

图3(a)是本发明实施方式中灰度值与像素值比值为1：2时对应的相干图样；

图3(b)是本发明实施方式中灰度值与像素值比值为1：1时对应的相干图样；

图3(c)是本发明实施方式中灰度值与像素值比值为2：3时对应的相干图样。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参阅图1，本申请提供一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法，所述方法包括：

S1：将预设相位灰度图加载于空间光调制器上，以对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制；

S2：将经过相位调制的光波输入第一透镜，以使得通过所述第一透镜之后得到经过傅里叶变换的光信号；

S3：在所述第一透镜的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波，以滤除所述经过傅里叶变换的光信号中的杂散光；

S4：将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜，以将所述滤除杂散光后的光信号聚焦为相干图样；其中，所述相干图像中光束点之间的距离由所述第一透镜的频谱面上灰度值与像素值之间的比例确定。

其中，所述相干图样中光束点之间的距离与所述第一透镜的频谱面上的灰度值与像素值的比值是正比例关系。

在本实施方式中，在滤除所述经过傅里叶变换的光信号中的杂散光之后，所述方法还包括：

利用衰减片调节滤除杂散光后的光信号的强度。

在本实施方式中，在将预设相位灰度图加载于空间光调制器上之前，所述方法还包括：

通过氦镉激光器产生预设波长的光波，并将所述光波通过第一物镜之后输入前置透镜，以将所述预设波长的光波转换为单色平面波；

在将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜之后，所述方法还包括：

将所述第二透镜输出的光信号通过第二物镜之后聚焦为相干图样；

相应地，对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制包括：

将所述单色平面波输入空间光调制器，并在所述空间光调制器上加载预设相位灰度图，以对所述单色平面波进行相位调制。

在本实施方式中，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。

在本实施方式中，输入所述空间光调制器的单色平面波与所述空间光调制器输出的经过相位调制的光波之间的夹角小于7°。

在本实施方式中，所述第一透镜的焦距为400毫米，所述第二透镜的焦距为300毫米。

在本实施方式中，按照下述公式确定所述第一透镜的频谱面上光信号的复振幅：

其中，U_f(x_f,y_f)表示所述复振幅，x_f和y_f分别表示所述第一透镜的两个光轴，φ(x,y)表示相位离散值，Γ[*]表示量化函数，DFT表示离散傅里叶变换，f表示所述第一透镜的焦距，λ表示光波波长，j表示虚数。

请参阅图2，本申请还提供一种基于空间光调制器制备光子晶体的装置，所述装置包括激光器1、空间光调制器2、第一透镜3、滤波组件4以及第二透镜5，其中：

所述激光器1，用于产生预设波长的光波，并将所述光波输入所述空间光调制器2；

所述空间光调制器2，用于加载预设相位灰度图，并利用所述预设相位灰度图对所述光波进行相位调制；

所述第一透镜3，用于对经过相位调制的光波进行傅里叶变换，以得到经过傅里叶变换的光信号；

所述滤波组件4，用于在所述第一透镜3的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波，以滤除所述经过傅里叶变换的光信号中的杂散光；

所述第二透镜5，用于将所述滤除杂散光后的光信号聚焦为相干图样。

在本实施方式中，在所述滤波组件4和所述第二透镜5之间还设置有衰减片(未示出)，所述衰减片用于调节滤除杂散光后的光信号的强度。

在本实施方式中，所述空间光调制器2之前还包括前置透镜11，所述前置透镜11用于将所述预设波长的光波转换为单色平面波；

相应地，所述空间光调制器用于利用所述预设相位灰度图对所述单色平面波进行相位调制。

在实际应用中，所述激光器1和所述前置透镜11之间还包括第一物镜12，所述第二透镜5之后还包括第二物镜13。

在本实施方式中，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。

在本实施方式中，输入所述空间光调制器的单色平面波与所述空间光调制器输出的经过相位调制的光波之间的夹角小于7°。

透镜傅里叶变换满足夫琅和费衍射，在理想透镜后焦面上的复振幅分布U_f(x_f,y_f)。

式中，f是透镜焦距，d₀是物与透镜之间的距离，是波数， T(f_x,f_y)＝F{t(x₀,y₀)}。

其中，物分布t(x₀,y₀)是一个复杂的结构，含有多种空频成分。它调制入射的均匀平面波，使透射光场携带物体的信息。当振幅为A的单色平面波垂直通过复振幅透过率为t(x₀,y₀)的LC-SLM(Liquid Crystal Spatial Light Modulator，液晶空间光调制器)时，可以得到其透射光场为U₀＝A·t(x₀,y₀)，根据夫琅和费衍射可知透镜后焦面上的复振幅分布正比于LC-SLM的复振幅透过率的傅里叶变换。如果d₀＝f，则透镜后焦面上的复振幅分布是LC-SLM的复振幅透过率准确的傅里叶变换，即

而对于纯相位液晶空间光调制器(Phase only LC-SLM)，其复振幅透过率是振幅为单位1的位相函数，可以表征为t(x₀,y₀)＝exp[jφ(x₀,y₀)]，因像素是呈周期性排列的矩形单元，在每个周期(x_i+1-x_i,y_k+1-y_k)的矩形单元内，相位具有确定的离散值φ(x,y)＝φ_i,k，x∈(x_i,x_i+1)，y∈(y_k,y_k+1)，φ_i,k∈(0,2π)，因此透镜后焦面上的复振幅分布可以表示成

式中，Γ是位相在(0,2π)内的量化函数，说明透镜后焦面上的强度分布I＝|U_f|²取决于LC-SLM每一点的相位值φ_i,k，可以通过对LC-SLM上各像素点相位的控制得到透镜后焦面上不同的光强分布。

在本实施方式中，激光器1为氦镉激光器(波长为441.6nm，功率为60mw)，使用的空间光调制器2为反射式纯相位液晶空间光调制器(Holoeye pluto-vis)，SLM的显示区域范围为15.36mm*8.64mm，同时入射光与反射光的夹角应该小于7°，SLM的像素范围为1920*1080pixels(单个像素尺寸为8um)。F₁、F₂组成一个4f***，分别得F₁＝400mm，F₂＝300mm，MO为25x物镜。

在实验中加载相位灰度图在SLM上，相位灰度图加载在SLM上通过软件驱动液晶对光进行相应的相位调制，调节之后的光首先通过透镜F₁进行一次傅里叶变换，同时在其傅里叶面进行相应的滤波得到所需要的光束同时滤掉杂散光。为了保证后面相干结构的对比度，可以根据具体情况采用衰减片调节光的强度。然后再利用透镜F₂对相应的光束进行聚焦达到最好的相干效果，最后再通过物镜进行结构的缩小。

图3(a)、(b)、(c)为实验图，从这些图可以得出，实验与模拟基本符合，当灰度值与像素值比值变大时，光束点之间的距离变小。当灰度值与像素值比值变小时，光束点之间的距离变大。即光束点之间的距离与灰度值与像素值的比值是正比例关系。

本发明是基于液晶空间光调制器制备光子晶体，通过调节灰度值与像素值的比值来控制相干图样中光束点之间的距离。从模拟和实验可以得出当灰度值与像素值比值变大时，光束点之间的距离变小。当灰度值与像素值比值变小时，光束点之间的距离变大。调节光束点之间的距离不仅可以方便滤掉杂散光，而且可以间接的影响相干结构的大小，使得相干结构的大小不单单受限于透镜之间的比值。

本发明的有益效果至少包括：

本申请的技术方案，基于空间光调制器制备周期性结构的基础上可以很轻松的改变频谱面(FT面)光点的距离，从而可以很好的滤波，进而影响结构的对比度和大小。通过这项技术可以制备大面积对比度较高的结构，同时还可以突破传统的硬件极限来控制结构的大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器制备光子晶体的方法，其特征在于，所述方法包括：

将预设相位灰度图加载于空间光调制器上，以对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制；

将经过相位调制的光波输入第一透镜，以使得通过所述第一透镜之后得到经过傅里叶变换的光信号；

在所述第一透镜的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波，以滤除杂散光；

将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜，将光信号聚焦为相干图样；

所述相干图样中光束点之间的距离与所述第一透镜的频谱面上的灰度值与像素值的比值是正比例关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将预设相位灰度图加载于空间光调制器上之前，所述方法还包括：

通过氦镉激光器产生预设波长的光波，并将所述光波通过第一物镜之后输入前置透镜，以将所述预设波长的光波转换为单色平面波；

在将滤除杂散光后的光信号输入第二透镜之后，所述方法还包括：

将所述第二透镜输出的光信号通过第二物镜之后聚焦为相干图样；

相应地，对输入所述空间光调制器的光波进行相位调制包括：

将所述单色平面波输入空间光调制器，并在所述空间光调制器上加载预设相位灰度图，以对所述单色平面波进行相位调制。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，输入所述空间光调制器的单色平面波与所述空间光调制器输出的经过相位调制的光波之间的夹角小于7°。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一透镜的焦距为400毫米，所述第二透镜的焦距为300毫米。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述公式确定所述第一透镜的频谱面上光信号的复振幅：

<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>f</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>j</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>D</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>}</mo> </mrow>

其中，U_f(x_f,y_f)表示所述复振幅，x_f和y_f分别表示所述第一透镜的两个光轴，φ(x,y)表示相位离散值，Γ[*]表示量化函数，DFT表示离散傅里叶变换，f表示所述第一透镜的焦距，λ表示光波波长，j表示虚数。

7.一种基于空间光调制器制备光子晶体的装置，其特征在于，所述装置包括激光器、空间光调制器、第一透镜、滤波组件以及第二透镜，其中：

所述激光器，用于产生预设波长的光波，并将所述光波输入所述空间光调制器；

所述空间光调制器，用于加载预设相位灰度图，并利用所述预设相位灰度图对所述光波进行相位调制；

所述第一透镜，用于对经过相位调制的光波进行傅里叶变换，以得到经过傅里叶变换的光信号；

所述滤波组件，用于在所述第一透镜的频谱面上对所述经过傅里叶变换的光信号进行滤波，以滤除所述经过傅里叶变换的光信号中的杂散光；

所述第二透镜，用于将所述滤除杂散光后的光信号聚焦为相干图样；所述相干图样中光束点之间的距离与所述第一透镜的频谱面上的灰度值与像素值的比值是正比例关系。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述滤波组件和所述第二透镜之间还设置有衰减片，所述衰减片用于调节滤除杂散光后的光信号的强度。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述空间光调制器之前还包括前置透镜，所述前置透镜用于将所述预设波长的光波转换为单色平面波；

相应地，所述空间光调制器用于利用所述预设相位灰度图对所述单色平面波进行相位调制。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。