光诱导法制备光子晶体和光波导及其表征

论文摘要

光子晶体是一种新型光学材料,其特点在于材料折射率呈周期性分布,可以像半导体材料操控电子运动一样操控光子运动,给未来的全光信息系统提供了非常光明的前景。因此对光子晶体微结构制备技术的研究具有非常重要的现实意义。传统的光子晶体制备技术如精密机械加工法、逐层叠加法、微型球结构自组装法、激光直写法等都存在着各自的局限性:实验设备昂贵、实验条件苛刻、对实验材料要求高、制备的光子晶体结构单一、制备效率低下、不能大规模生产等等。因而研究一种成本更加低廉、工艺更加简单、生产效率更高的制备光子晶体的方法,对研究光子晶体微结构具有重要意义。因此,用光诱导法制备光子晶体微结构作为一种新兴方法近年来在学术界越来越得到重视。光诱导法主要利用光折变材料的光致折射率变化特性,将人工设计的光子晶体图案照射到光折变材料上,经过一系列的物理过程,光折变材料中会形成与所设计的光子晶体图案相对应的光子晶体微结构。且像掺铁铌酸锂晶体这类材料,还具有可擦写的优良品质,材料可以反复使用,节省成本。因此使用光诱导法制备光子晶体微结构相对于传统制备技术而言具有成本低廉,实验装置简易,灵活多样等优点。然而目前采用光诱导法制备三维光子晶体/准晶的方法主要是通过空间光调制器产生多光束干涉,实验设备昂贵且制备的三维光子晶体面积受限于有限的空间光调制器反射面的面积,难以大规模应用。光波导是一种导光器件,其作用是将光限制在其内部传输。随着光信息技术的发展,传统的光波导制备技术已经不能满足新时代光通信技术的发展需要。于是科学界于上世纪提出激光直写光波导技术,但是目前的激光直写技术大多使用的是飞秒激光,有着设备价格昂贵、实验光路不易调试、实验步骤复杂等缺点。利用光折变材料的光折变效应,采用光诱导法同样可以制备光波导。且用光诱导法制备光波导,实验设备价格低廉,实验材料要求不苛刻,实验光路调试也更加简单。针对目前三维光子微结构与光波导制备技术存在的种种问题,本论文以光诱导技术为基础,对在掺铁铌酸锂晶体中制备三维光子晶体、三维光子准晶和光波导进行了深入的研究。创新之处主要有以下几点:(1)借助中心带孔的多光楔棱镜实现了简单高效地制备三维光子晶体和三维光子准晶,通过该方法可以简单地扩展三维光子微结构的横截面面积,且可制备的三维光子微结构种类多样。(2)提出将一个尺度太大或者难以拍摄,以致实验上无法直接观察的图像用多平面重建技术进行处理压缩到有限的观察空间的实验和算法。(3)通过理论计算定量分析由中心带孔的三光楔棱镜制备的三维光子晶体,发现其结构并不是简单地在二维结构上添加上第三个维度,其与光轴垂直的横截面由三套前后交错的晶格相互嵌套而成。(4)通过实验与理论相结合提出了一种借助改变光楔楔角角度来改变多光束的偏折角度,实现调控三维光子晶体/准晶周期的方法。(5)以光诱导法借助纯相位空间光调制器产生的贝塞尔光束制备环形光波导,证明了用光诱导法制备光波导的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 背景与意义
•   1.2 本论文的物理基础概要
•     1.2.1 光折变效应
•     1.2.2 光生伏打效应
•     1.2.3 光子晶体与光子准晶的光子禁带
•   1.3 光子晶体及光波导的研究现状
•     1.3.1 光子晶体研究现状
•     1.3.2 光波导研究现状
•   1.4 光子晶体及光波导制备技术
•     1.4.1 光子晶体制备技术
•     1.4.2 光波导制备技术
•   1.5 光诱导法制备光子晶体及光波导
•     1.5.1 光诱导法制备光子晶体
•     1.5.2 光诱导法制备光波导
•   1.6 研究内容及创新点
•     1.6.1 研究内容
•     1.6.2 创新点
•   1.7 论文结构
• 第二章 理论基础
•   2.1 铌酸锂晶体
•   2.2 空间光调制器的基本原理
•     2.2.1 空间光调制器概述
•     2.2.2 空间光调制器物理机制
•   2.3 贝塞尔光束基本原理
•   2.4 本章小结
• 第三章 三维光子微结构的制作与分析
•   3.1 光诱导法基本原理
•   3.2 楔形棱镜基本原理
•   3.3 三维光子晶体/准晶微结构的制作与分析
•     3.3.1 实验装置
•     3.3.2 干涉图案
•     3.3.3 实验参数
•   3.4 三维光子晶体/准晶微结构的观测
•     3.4.1 光子晶体/准晶正面结构观测
•     3.4.2 多平面重建技术
•     3.4.3 光子晶体/准晶侧面结构观测
•   3.5 布拉格（Bragg）衍射实验
•     3.5.1 Bragg定律
•     3.5.2 Bragg衍射实验结果
•     3.5.3 布里渊区图
•   3.6 本章小结
• 第四章 三维光子微结构的理论分析
•   4.1 理论分析基础
•   4.2 干涉光场强度分析
•   4.3 三维光子晶体/准晶的周期调控
•   4.4 本章小结
• 第五章 光波导的制作与分析
•   5.1 纯相位空间光调制器的使用
•   5.2 高阶贝塞尔光束的产生
•   5.3 光波导的制作与分析
•   5.4 光折变光波导的功能性测试
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结
•   6.1 论文工作总结
•   6.2 遗留问题与下一步工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所取得的科研成果与奖励
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜诚

导师: 薛燕陵

关键词: 光子晶体,光子准晶,光波导,光诱导技术,掺铁铌酸锂晶体

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,化学,无线电电子学

单位: 华东师范大学

分类号: TN252;O734

总页数: 89

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