單雙光子聚合法結(jié)合制備引入缺陷的光子晶體及其色散性質(zhì)的研究.pdf

1、光子晶體（Photonic Crystals，PhCs）的概念最早在1987年由E．Yablonovitch和S．John同時提出，它是一種折射率在空間呈周期性變化的電介質(zhì)材料組成的結(jié)構(gòu)，其變化周期和光的波長為同一個數(shù)量級。光子晶體也稱為光子帶隙材料（Photonic Bandgap materials），或者電磁晶體（Electromagnetic Crystals）。 光子晶體具有兩個重要的特性，即光子帶隙和光子局域。使得光

2、子晶體在很多方面都有巨大的應用前景，比如可以制備光子晶體光纖，波導，以及低閾值激光器等很多種重要器件。本篇論文的目的是要對光子晶體的一系列問題從理論和實驗兩方面進行比較系統(tǒng)和全面的分析，分析的重點體現(xiàn)在下面四個方面： 1．全息光子晶體的實驗制備及缺陷引入 在光子晶體的實驗制備中我們主要研究兩個方面，一是激光全息干涉法一步成型制備大規(guī)模無缺陷的光子晶體，二是用單光子和雙光子聚合相結(jié)合的辦法，在光子晶體中引入缺陷。

3、由于光子晶體的巨大應用前景，有關(guān)光子晶體的制備方法也備受關(guān)注，激光全息干涉法就是其中的一種。激光全息干涉法是利用三束或者四束非共面光干涉，形成二維或三維亮暗相間的干涉圖樣，圖樣的周期與所使用干涉光的波長在一個數(shù)量級。將這種干涉圖樣投影到一種介質(zhì)材料上記錄下來，就可以得到二維或者三維的光子晶體結(jié)構(gòu)。這種方法可以一次成型制備大范圍無缺陷的結(jié)構(gòu)，具有較高的分辯率，并且制備程序簡單，成本低廉，具有很多的優(yōu)點。雙光子聚合法制備光子晶體一般利用Ti

4、：sapphire飛秒激光器的二倍頻激光進行光聚合，然后用機械控制來移動樣品，最后處理樣品，清洗掉沒有聚合的區(qū)域，來制作各種結(jié)構(gòu)的光子晶體。這種方法比較精細，但造價比較昂貴，適用于制備對位置要求比較精確的結(jié)構(gòu)，不適于大規(guī)模生產(chǎn)。 在本篇論文中，我們提出了一種單雙光子聚合相結(jié)合的辦法來制備引入缺陷的光子晶體。先使用波長為532nm的激光進行全息干涉，來制備大規(guī)模無缺陷的二維或者三維光子晶體，然后利用飛秒激光器進行雙光予聚合，在未經(jīng)

5、顯影處理的樣品上掃描溝道，形成線缺陷或者點缺陷。聚合材料對雙光子的吸收與光強度的四次方成正比，因此雙光子聚合的區(qū)域非常小，只在焦點附近λ3的區(qū)域內(nèi)（λ為激光波長），這樣我們就可以精確的控制在光子晶體中引入缺陷。最后再進行顯影處理，就可以得到引入缺陷的光子晶體。這種方法結(jié)合了全息干涉和雙光子聚合兩種方法的優(yōu)點，既能夠快速方便地制備光子晶體結(jié)構(gòu)，又可以精確控制引入缺陷。 在論文的第二章中，我們系統(tǒng)地分析了全息法制備一維、二維和三維光

6、子晶體的光束配置和所得圖樣，第三章則介紹了具體的實驗制備過程，以及結(jié)合雙光子聚合法引入缺陷的光路設(shè)計和實驗過程，并在文章中給出了實驗制備的樣品照片，驗證了這種方法的可行性。 2．全息光子晶體的能帶特性 光子晶體最重要的一個特性是具有光子帶隙，即處在禁帶內(nèi)頻率的光是不能在光子晶體中傳輸?shù)?。光子禁帶的出現(xiàn)依賴于光子晶體的結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)的配比。一般來說，光子晶體中兩種介質(zhì)的介電常數(shù)比越大，入射光將被散射得越強烈，就越有可能出現(xiàn)

7、光子禁帶。影響禁帶的出現(xiàn)還有一個重要因素：晶體的幾何構(gòu)形，由于帶隙產(chǎn)生在布里淵區(qū)（Brillouinzone）的邊界處，所以原則上完全帶隙（即光在整個晶格結(jié)構(gòu)空間的所有方向上傳輸時都具有帶隙）更容易出現(xiàn)在布里淵區(qū)是近球形的結(jié)構(gòu)中。理論上講，如果光子晶體的帶隙越大，我們可以控制或者應用的頻率范圍就越廣，所以如何設(shè)計介電常數(shù)的結(jié)構(gòu)和形狀，使之具有較大的完全帶隙成為我們關(guān)注的焦點。 在以前的工作中，我們曾使用衍射分束器件（DBS）得到

8、三束呈傘狀對稱的光束相互干涉，制備出了對TE和TM兩種模式同時具有較大帶隙的二維三角結(jié)構(gòu)光子晶體。在文章的第四章中，我們對原有工作做了改進，在原來一次曝光的基礎(chǔ)上，把三束對稱光都沿同一方向轉(zhuǎn)動60度后，再對樣品進行第二次曝光，經(jīng)過兩次曝光處理后的光子晶體結(jié)構(gòu)獲得了超過20％的更大帶隙。 3．光子晶體中的傳輸特性--負折射和超透鏡現(xiàn)象 通常的介質(zhì)材料介電常數(shù)與磁導率都是正的，即具有正的折射率，電磁波傳輸時波矢K、電場E和磁

9、場H之間的關(guān)系符合右手定律。那么當介電常數(shù)ε和μ都為負值時，電場、磁場和波矢之間則應該符合左手關(guān)系，滿足這種關(guān)系的物質(zhì)被為左手材料（Left-handed materials，LHM）。電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應等等。所以近年來有關(guān)左手材料的研究受到了廣泛的關(guān)注。 2002年，科學家們發(fā)現(xiàn)當光波以一定角度入射到在光子晶體界面上時，光波在光子晶體中的傳輸也會出現(xiàn)和在左

10、手材料中相同的現(xiàn)象：比如負折射和超透鏡（Super Lens）現(xiàn)象。對于有些頻率的電磁波，以很大范圍內(nèi)的入射角度入射到光子晶體中都會出現(xiàn)負折射現(xiàn)象，傳輸光線在光子晶體后面呈現(xiàn)出自聚焦，有時會聚焦于一點呈現(xiàn)出很清晰的像點，這時光子晶體對于這種頻率的光波，就像是一個折射率為-1的完美透鏡，這種現(xiàn)象被稱為超透鏡。在論文的第五章，我們詳細介紹了光子晶體中負折射現(xiàn)象和超透鏡現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，用波矢圖解法分析了這些現(xiàn)象產(chǎn)生需要滿足的條件，最后用有限時

11、域差分方法（Finite Difference in Time Domain，F(xiàn)DTD）理論模擬來驗證了左手傳輸特性在光子晶體中的出現(xiàn)。并且對全息干涉形成的光子晶體與具有規(guī)則格點形狀的常規(guī)光子晶體相比較，由于全息干涉結(jié)構(gòu)的格點形狀是不規(guī)則的，導致它們的等頻率線分布與規(guī)則形狀的光子晶體也有較大差別，我們發(fā)現(xiàn)在填充比（Filling ratio）較大的光子晶體結(jié)構(gòu)或者格點是以介質(zhì)材料相連接的結(jié)構(gòu)中，負折射現(xiàn)象更容易出現(xiàn)，并且入射電磁波頻譜范

12、圍更廣。 4．二維光子晶體薄板內(nèi)缺陷腔的性質(zhì)和品質(zhì)因子計算 在一塊完美的光子晶體中引入某種缺陷，光子帶隙中會出現(xiàn)缺陷態(tài)，當電磁波的頻率與缺陷態(tài)相吻合時，就有可能被局域在缺陷位置，因而呈現(xiàn)出很大的態(tài)密度和品質(zhì)因子。這種由光子晶體制作的微腔，比起傳統(tǒng)的微腔體積小，品質(zhì)因子高，在光通信以及高精度光學儀器的設(shè)計中有著重要的應用前景。 在論文的第六章給出了有關(guān)二維光子晶體薄板微腔的系統(tǒng)分析，用平面波展開法計算了光子晶體薄板