蔣棟棟，靳文濤，薛燕陵

（華東師范大學(xué) 信息學(xué)院通信工程系，上海200241）

光折變晶體中大面積光子點陣的制作與分析

蔣棟棟，靳文濤，薛燕陵

（華東師范大學(xué) 信息學(xué)院通信工程系，上海200241）

使用多光束干涉的光誘導(dǎo)法成功地在Li N bO3：Fe晶體中制作了大面積二維三角光子晶格，介紹了制作裝置和實現(xiàn)方法。觀測了激光從晶體側(cè)面垂直于光子晶格柱方向和從晶體正面沿著光子晶格柱的方向照射時，晶體中的布喇格反射現(xiàn)象和相應(yīng)的帶隙分布，并討論了光波在該晶格結(jié)構(gòu)中的傳播特性。

光子點陣；光折變效應(yīng)；布喇格反射；透射譜

0 引言

光子晶體憑借其本身的光子帶隙特性，近年來受到了研究者的廣泛關(guān)注。光子頻率帶隙的存在使某些特定波長的光波無法在光子晶體內(nèi)部傳播，這一特性可用于抑制自發(fā)輻射效應(yīng)[1，2]。另一方面，光子空間帶隙的存在說明某些特定角度的光會發(fā)生布喇格（Bragg）反射，這一特性不僅能用于檢驗光子晶體的結(jié)構(gòu)，而且還能用來制作基于光子晶體衍射光柵的波分解復(fù)用器[3～6]。

如何在光折變晶體中制作各種各樣的光子微結(jié)構(gòu)一直是人們研究的焦點。光誘導(dǎo)法作為一種新型的制作光子微結(jié)構(gòu)的方法，近年來獲得了很大關(guān)注。光誘導(dǎo)法能利用很低功率的光在光折變材料中方便地制作光子微結(jié)構(gòu)。其主要過程是將多束光干涉后形成的光強圖案照射到光折變晶體表面上，經(jīng)過曝光后將干涉圖案“記錄”進光折變晶體內(nèi)部，最終形成相應(yīng)的光子微結(jié)構(gòu)[7，8]。此前已有一些關(guān)于利用光誘導(dǎo)法制作一維光子微結(jié)構(gòu)的研究[9,10]，但少有制作二維光子晶格的。本文利用光誘導(dǎo)法完成二維光子晶格的制作，并采用Bragg反射現(xiàn)象對制作的光子晶格[3～5]進行研究。

1 制作光子晶格與觀測Bragg反射現(xiàn)象的實驗裝置

本文利用基于光折變效應(yīng)的光誘導(dǎo)技術(shù)在LiNbO3：Fe晶體中制作了光子晶格，具體實驗裝置如圖1所示。實驗中YAG激光器產(chǎn)生波長為532nm的激光，光束通過分束器被分成兩路光，a路光用于制作光子晶格結(jié)構(gòu)，b路光用于觀察產(chǎn)生的光子晶格結(jié)構(gòu)。a路光中，激光經(jīng)過空間濾波器（SF）和透鏡L1準直擴束后成為平行光照射到三角棱鏡（TP）上。TP由三塊契角為γ的棱鏡組成，契角γ的存在使通過三塊棱鏡的平行光向光軸偏折，造成3條光束干涉并匯聚到LiNbO3：Fe晶體前表面，3條光束干涉形成的圖案決定了在LiNbO3：Fe晶體中形成的三角光子晶格。本文使用的LiNbO3：Fe晶體中鐵的濃度為0.025wt%，晶體尺寸為10mm×10mm×5mm。功率為12mW的激光通過30h的輻照即可在晶體中寫入光子晶格。透鏡L3可將晶體中寫入的晶格結(jié)構(gòu)成像到CCD相機上。實驗中我們采用相機拍攝到產(chǎn)生在晶體10mm×10mm晶面上的二維三角光子晶格如圖2所示，表明本實驗成功。圖2中標出的6μm和9μm表示不同晶面間的距離，在晶體的縱深方向，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)為平行柱子。

圖1 制作二維三角光子晶格的實驗裝置

圖2 用CCD相機拍攝到的在晶體10mmx10mm晶面上產(chǎn)生的二維三角光子晶格

本文測量了在不同旋轉(zhuǎn)角度時，LiNbO3：Fe晶體中光子晶格結(jié)構(gòu)的透射功率譜，測量裝置如圖3所示。實驗中激光經(jīng)過衰減片（OA）后，照射到已經(jīng)寫入光子晶格結(jié)構(gòu)的LiNbO3：Fe晶體上，通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺改變照射在光子晶格結(jié)構(gòu)上的透射光角度。實驗中，我們采用波長為532nm和650nm的激光分別從晶體側(cè)面垂直于光子晶格柱子的方向和晶體正面沿著光子晶格柱子的方向入射 （分晶體正放和轉(zhuǎn)動90°擺放），以此達到多重測量，了解晶體中寫入的光子晶格結(jié)構(gòu)在各個方向上的特性。

圖3 用于測量光子晶格透射功率譜的裝置

2 實驗結(jié)果

2.1 從晶體側(cè)面垂直于光子晶格柱子的方向入射激光

將波長為532nm的激光從晶體側(cè)面垂直于光子晶格柱子的方向入射，通過旋轉(zhuǎn)晶體,觀測其Bragg反射特性，得到反射光斑圖。激光從晶體側(cè)面入射晶體的示意圖和反射光斑圖如圖4所示。當(dāng)晶體順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)時，獲得一級Bragg反射（即圖4（b）中的兩側(cè)斑點，對應(yīng)于圖4（a）中黑色平行線代表的晶面）。通過測量反射光斑與中心光斑的間距D、中心光斑與晶體間的距離L，根據(jù)tanβ=D/L，得到對應(yīng)的Bragg反射角 θ1=β/2=2.334°。根據(jù) Bragg方程2d1sinθ1=nλ，取 n=1，得到相應(yīng)的晶面距離 d1= 6.553μm。使用波長為650nm的激光進行同樣的實驗，測得β=2.928°，據(jù)此算出晶面距離d1=6.362μm，可以看出兩種波長的實驗結(jié)果相近。

圖4 532nm激光從晶體側(cè)面垂直于光子晶格柱方向入射的示意圖和反射光斑圖

2.2 從晶體正面沿著光子晶格柱子的方向入射激光

當(dāng)晶體正放和轉(zhuǎn)動90°擺放時，將波長為532nm的綠光和波長為650nm的紅光分別從晶體正面沿著光子晶格柱子的方向入射，測量這兩種情況下晶格點陣的透射譜和Bragg衍射光斑圖。

2.2.1 晶體正放

圖5為將LiNbO3：Fe晶體正放時分別用532nm和650nm的激光從晶體正面沿著光子晶格柱方向入射至晶體中進行角度依賴的透射譜測量的實驗結(jié)果。圖5（a）為晶體正放時的點陣結(jié)構(gòu)圖，圖5（b）為對應(yīng)的實驗布里淵區(qū)圖。從中可以清晰看到第一和第二布里淵區(qū)。圖5（c）為理論布里淵區(qū)圖，實驗中晶體隨旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時激光掃射的投影線與第一布里淵區(qū)產(chǎn)生兩處交點，Bragg反射發(fā)生在這兩處交點上，正好對應(yīng)圖5（d）中透射譜的兩處凹陷。圖5（d）為晶體旋轉(zhuǎn)時角度依賴的透射譜，可以看出,與波長為532nm的綠光相比，波長為650nm的紅光透射譜上的凹陷更為明顯，說明紅光的Bragg反射更強烈。透射譜凹陷對應(yīng)的Bragg反射角為θ1，依據(jù)Bragg方程2d1sinθ1=nλ，取n= 1，可以得到相應(yīng)的晶面距離d1。對于綠光，計算所得的平均晶面間距d1=6.502μm；對于紅光，平均晶面間距d1=5.944μm，兩者相近。根據(jù)Bragg方程可知，當(dāng)d1一定時，波長越大，θ1越大，這與頻譜圖中紅光凹陷位置更靠外的實際情況相符合。

圖5 晶體正放時，在波長為532nm和650nm的激光照射下的實驗結(jié)果

因為2.1節(jié)與本節(jié)所做的計算對應(yīng)的晶面相同，所以得出的數(shù)據(jù)具有可比性。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，兩組數(shù)據(jù)非常接近，說明這兩種實驗方法都可以準確地測量光子晶格的晶面距離，測量的準確性取決于旋轉(zhuǎn)臺角度讀數(shù)的準確性。

圖5（e）～圖5（j）為透射譜測量時當(dāng)晶體未開始旋轉(zhuǎn)和晶體旋轉(zhuǎn)到透射譜凹陷時在晶體后方拍到的衍射光斑圖。其中圖5（f）和圖5（i）是激光正入射（晶體未有旋轉(zhuǎn)）時的光斑圖，圖5（e）和圖5（h）是晶體逆時針旋轉(zhuǎn)至透射譜凹陷時的光斑圖，圖5（g）和圖5（j）是晶體順時針旋轉(zhuǎn)至透射譜凹陷時的光斑圖。可以看出當(dāng)晶體受到光線正入射時，能量主要集中于中心光斑；當(dāng)晶體分別旋轉(zhuǎn)至左右兩處凹陷時,由于Bragg反射能量發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移,分別偏向于各自凹陷的另一側(cè)，Bragg反射增強了相應(yīng)位置的光強，因此在Bragg反射的極值方向形成兩處明顯的反射光斑。通過對比圖5（e）、圖5（h）和圖5（g）、圖5（j）可以知道圖5（h）、圖5（j）中的反射光斑更亮，說明紅光的Bragg反射更強。這與圖5（d）中紅光的凹陷更深一樣，反映出這時紅光的Bragg反射效果比綠光強。

2.2.2 晶體旋轉(zhuǎn)90°擺放

圖6為將LiNbO3：Fe晶體旋轉(zhuǎn)90°擺放時分別用532nm和650nm的激光從晶體正面沿著光子晶格柱子的方向入射至晶體中進行角度依賴的透射譜測量的實驗結(jié)果。圖6（a）為晶體旋轉(zhuǎn)90°擺放時的結(jié)構(gòu)點陣圖，黑線標出了實際發(fā)生Bragg反射時的晶面。圖6（b）為與圖6（a）對應(yīng)的實驗布里淵區(qū)圖，從中可以清晰看到第一和第二布里淵區(qū)。圖6（c）為理論布里淵區(qū)圖，黃色部分為第一布里淵區(qū)，圖中紅線表示的是實驗中晶體隨旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時激光掃射的投影線，它與第一布里淵區(qū)產(chǎn)生兩處交點，Bragg反射發(fā)生在這兩處交點上，對應(yīng)于圖6（d）中透射譜的兩處凹陷。圖6（d）為晶體旋轉(zhuǎn)時角度依賴的透射譜?？梢钥闯觯c紅光相比，綠光的凹陷更為明顯，說明綠光的Bragg反射更強烈。透射譜凹陷對應(yīng)的Bragg反射角為θ2，依據(jù)Bragg方程2d2sinθ2=nλ，取n=1，可以得到相應(yīng)的晶面距離d2。對于綠光，計算得到的平均晶面間距d2=9.009μm；對于紅光，平均晶面距離d2=9.505μm，兩者相近。

圖6（e）～圖6（j）為透射譜測量時當(dāng)晶體尚未開始旋轉(zhuǎn)和晶體旋轉(zhuǎn)到透射譜凹陷時在晶體后面拍到的衍射圖。其中圖6（f）和圖6（i）是激光正入射（晶體未有旋轉(zhuǎn)）時的光斑圖，圖6（e）和圖6（h）為晶體逆時針旋轉(zhuǎn)至透射譜凹陷時的光斑圖，圖6（g）和圖6（j）為晶體順時針旋轉(zhuǎn)至透射譜凹陷時的光斑圖?？梢钥闯霎?dāng)晶體受到光線正入射時，能量主要集中于中心光斑；當(dāng)晶體分別旋轉(zhuǎn)至左右兩處凹陷時，由于Bragg反射能量發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移，分別偏向于各自凹陷的另一側(cè)，Bragg反射增強了相應(yīng)位置的光強，因此在Bragg反射的極值方向形成兩處明顯的反射光斑。對比圖6（e）、圖6（h）及圖6（g）、圖6（j），可以看出圖6（e）、圖6（g）中的反射光斑更亮，說明綠光的Bragg反射更強。這與圖6（d）中綠光的凹陷比紅光深一樣，反映出晶體正放時綠光的Bragg反射效果比紅光強。

圖6 晶體旋轉(zhuǎn)90°擺放時，在波長為532nm和650nm的激光照射下的實驗結(jié)果

3 結(jié)束語

本文利用光誘導(dǎo)法成功地在LiNbO3：Fe晶體中制備了大面積的二維三角結(jié)構(gòu)光子晶格，制得的光子晶格不僅能在黑暗條件下保存較長時間 ，而且還可以通過強光照或加熱等方式進行擦除或重寫，提高了晶體的利用率。我們先令激光從晶體側(cè)面垂直于光子晶格柱子的方向射入，通過測量其Bragg反射光斑的距離，計算出相應(yīng)的反射晶面距離。再令激光從晶體正面沿著光子晶格柱子的方向射入，同時將晶體分正放和轉(zhuǎn)動90°擺放兩種情形進行討論分析，測量得到透射功率譜，并拍攝透射譜凹陷處的衍射光斑，根據(jù)透射譜凹陷計算出相應(yīng)的晶面距離。比較晶面距離可以知道，激光從晶體側(cè)面入射測量與激光從晶體正面入射測量得到的結(jié)果一致，即晶面的Bragg反射效應(yīng)可以表征晶格結(jié)構(gòu)，說明本文成功制備了大面積的光子晶格。

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Fabrication and analyses of large-area photonic lattice in photorefractive crystal

JIANG Dong-dong,JIN Wen-tao,XUE Yan-ling
(School of Information Science and Engineering, East China Normal University,Shanghai 200241,China)

The paper uses an approach of multiple beam interference for fabricating large-area two-dimensional triangle photonic lattice in a LiNbO3：Fe crystal,introduces the production equipment and realization method.It observes the Bragg refection phenomenon and its corresponding spatial bandgap distribution when the laser which is perpendicular to or along the direction of the photonic lattice columns,respectively,and discusses the transmission characteristics of light beam in the lattice microstructure.

photonic lattice,photorefractive effect,Bragg reflection,transmission spectrum

O436

A

1002-5561（2016）04-0056-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.018

2015-12-25。

國家自然科學(xué)重點基金（批準號：11234003和91436211）資助。

蔣棟棟（1989-），男，碩士研究生，主要從事光通信與光電子器件的研究。