專利名稱：具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二維準(zhǔn)周期非線性光子晶體，特別是涉及一種多方向多波長(zhǎng)倍頻的準(zhǔn)相位匹配光子晶體。
背景技術(shù)：
通常晶體中的倍頻效應(yīng)受到晶體色散關(guān)系的嚴(yán)重影響，使基頻波和諧頻波之間存在一定的相速度差，引起能流方向的交替變化，使得二次諧波強(qiáng)度沿相互作用距離L＝λi/4(no-ni)(其中，ni和no分別為晶體中基頻光與倍頻光的折射率，λi為基頻光的波長(zhǎng))周期性地增強(qiáng)和減弱。為了實(shí)現(xiàn)二次諧波強(qiáng)度在整個(gè)晶體中的持續(xù)增加，兩波矢之間需要滿足相位匹配條件。過(guò)去人們主要利用各向異性晶體的雙折射特性，通過(guò)調(diào)節(jié)晶體溫度和入射光的角度，使基波的o光(或e光)與諧波的e光(或o光)的折射率相等以實(shí)現(xiàn)相位匹配。但這種利用各向異性晶體雙折射特性實(shí)現(xiàn)相位匹配條件的方法有許多難以克服的缺點(diǎn)(1)天然或人工各向同性晶體中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種相位匹配關(guān)系的；(2)某些角度上的相位匹配所引起的離散效應(yīng)限制了兩光束的空間交疊，非線性極化率最大對(duì)角元素的利用受到很大的限制；(3)晶體受溫度特性特殊要求的影響。所述以上缺點(diǎn)均極大地降低了所用晶體的范圍和能量轉(zhuǎn)換效率。自從準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)的概念被提出以來(lái)，其在非線性頻率轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用一直得到眾多研究者的關(guān)注。QPM技術(shù)能使二次諧波強(qiáng)度在非線性晶體中保持連續(xù)增長(zhǎng)，它通過(guò)使基波和諧波在奇數(shù)個(gè)L的長(zhǎng)度內(nèi)相對(duì)相位反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)二次諧波強(qiáng)度在一些本該衰減的區(qū)域得以繼續(xù)增加。因此，只要周期性地改變自發(fā)極化矩的方向，實(shí)現(xiàn)相位周期性反轉(zhuǎn)，就能使諧波保持高效非線性頻率轉(zhuǎn)換。QPM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于首先，它不再要求正交光束，即輸入光和輸出光偏振方向與晶體極化方向可以一致，這樣走離效應(yīng)不再存在，可充分利用晶體的最大非線性系數(shù)；其次，該技術(shù)是一種人為設(shè)計(jì)晶體周期結(jié)構(gòu)以達(dá)到滿足相位匹配關(guān)系的技術(shù)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)過(guò)程的可控性。基于此，在非線性光子晶體中的準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換(倍頻、和頻、差頻和光參量過(guò)程等)中的轉(zhuǎn)換效率顯著提高。
目前一維周期的準(zhǔn)相位匹配技術(shù)已相當(dāng)成熟，其中周期性極化的非線性光學(xué)晶體已配置到多頻或調(diào)頻的激光器產(chǎn)品中。由于不同的應(yīng)用要求，人們進(jìn)一步擴(kuò)展到對(duì)一維準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)非線性光子晶體的研究。這種結(jié)構(gòu)可以在單一方向上實(shí)現(xiàn)不同種波長(zhǎng)的倍頻、和頻及差頻等轉(zhuǎn)換過(guò)程。然而，它的不足在于垂直于入射激光方向上的倒格矢沒(méi)有被利用到。1998年法國(guó)科學(xué)家V.Berger首次提出了二維非線性光子晶體的概念(文獻(xiàn)1，V.Berger，“Nonlinear Photonic Crystals”，Physical Review Letters，1998，81(19)4136-4139)。它是將自發(fā)極化矩以二維格點(diǎn)的結(jié)構(gòu)周期性地反轉(zhuǎn)，形成二維極化結(jié)構(gòu)，其第一布里淵區(qū)可為三角形和正方形等多邊形。這種結(jié)構(gòu)能提供滿足準(zhǔn)相位匹配的多種倒格矢。2000年，Broderick等人(文獻(xiàn)2，N.G.R.Broderick，G.W.Ross，H.L.Offerhaus，D.J.Richardson，and D.C.Hanna，“Hexagonally Poled Lithium NiobateA Two-DimensionalNonlinear Photonic Crystal”，Physical Review Letters，2000，84(19)4345-4348.)采用二維非線性光子晶體成功地進(jìn)行了六邊形周期性極化鈮酸鋰晶體中二倍頻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中一維非線性光子晶體中只能對(duì)單一方向上不同種波長(zhǎng)的光波倍頻，及二維周期結(jié)構(gòu)中倒格矢數(shù)量的有限性，為了同時(shí)對(duì)不同方向上多束不同波長(zhǎng)的光波以及同一方向上不同波長(zhǎng)的光波進(jìn)行倍頻，提供一種多波倍頻的二維準(zhǔn)相位匹配非線性光子晶體。利用二維n重準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性優(yōu)勢(shì)降低頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中諧頻光產(chǎn)生效率對(duì)入射基頻光偏離理想準(zhǔn)相位匹配角度的敏感性。同時(shí)，利用具有高重對(duì)稱性的二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)可為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)波長(zhǎng)的倍頻轉(zhuǎn)換奠定一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種具有多種方向上多種波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維n重準(zhǔn)周期非線性光子晶體，以鐵電晶體材料為基，其超晶格格點(diǎn)為高壓脈沖電場(chǎng)極化工藝制成的極化反轉(zhuǎn)柱子，該非線性光子晶體的正格矢空間超晶格形狀為二維n重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，沿其中心軸即z軸旋轉(zhuǎn)具有n重對(duì)稱性，其中組成基本單元為相鄰接的多邊形，并且多邊形的邊長(zhǎng)是相等的；其超晶格對(duì)應(yīng)的倒格矢也為二維n重準(zhǔn)周期形狀分布，該類倒格矢空間在同一方向上具有不同長(zhǎng)度的倒格矢，同時(shí)在不同方向上也存在不同長(zhǎng)度的倒格矢。
由此，可利用該類非線性光子晶體中不同方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢實(shí)現(xiàn)不同種波長(zhǎng)的共線及非共線準(zhǔn)相位匹配倍頻過(guò)程，且利用二維準(zhǔn)周期晶體的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，繞其中心軸旋轉(zhuǎn)一定角度的整數(shù)倍后可得到相同的結(jié)果。
所述的n重為n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
所述的鐵電晶體材料為鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)、硼酸鋇(BBO)、磷酸二氫鉀(KDP)和磷酸鈦酸鉀(KTP)材料。
本發(fā)明提供的一種具有多種方向上多種波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維n重準(zhǔn)周期非線性光子晶體是利用外加電場(chǎng)的方法進(jìn)行制備出的，該方法包括以下步驟1.首先制備好具有二維n重準(zhǔn)周期圖案光刻工藝用的掩模版，具有二維n重準(zhǔn)周期圖案；2.然后在干凈的鐵電晶體材料+c表面涂一層光刻絕緣膠，利用步驟1制備的光刻工藝用掩模版，通過(guò)光刻工藝將二維n重準(zhǔn)周期圖案轉(zhuǎn)移到鐵電晶體材料+c表面上；3.采用氯化鋰液體電極，使氯化鋰過(guò)飽和溶液的液體電極與未被覆蓋鐵電晶體材料+c表面充分接觸，將10～30kV/mm的高壓脈沖電場(chǎng)施加在步驟2得到的表面帶有二維n重準(zhǔn)周期圖案的鐵電晶體材料+c表面上沒(méi)有被絕緣膠覆蓋的區(qū)域，使該區(qū)域的鐵電晶體材料+c得以極化，其超晶格格點(diǎn)為高壓脈沖電場(chǎng)極化工藝制成的極化反轉(zhuǎn)圓柱，極化完成后，擦除鐵電晶體材料+c表面的絕緣膠，即可得到二維n重準(zhǔn)周期非線性光子晶體的極化斑圖；晶體的極化方向與二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的中心軸平行；4.極化完成后，擦除鐵電晶體材料+c表面的光刻絕緣膠，即可得到具有二維n重準(zhǔn)周期非線性光子晶體。
為防止高壓對(duì)空氣擊穿，還包括在極化過(guò)程中通常都是使晶體處于絕緣油中來(lái)進(jìn)行。
為了得到更加清晰的斑圖，還包括步驟5，將極化后的晶體表面選擇適當(dāng)?shù)目涛g液進(jìn)行刻蝕，例如鈮酸鋰材料選擇氫氟酸做刻蝕液，即把鈮酸鋰材料放在氫氟酸中，在室溫下浸泡10～15分鐘，然后再在顯微鏡下即可觀察到清晰的二維n重準(zhǔn)周期格點(diǎn)分布圖。
使用時(shí)，為了減少拋光晶體表面對(duì)入射基頻光及出射倍頻光束的損耗，基頻光沿著二維n重準(zhǔn)周期光子晶體特定方向上的平面垂直入射，并與其二次諧波共線垂直出射到晶體外部，實(shí)現(xiàn)基頻光的共線準(zhǔn)相位匹配倍頻過(guò)程。充分利用n重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)中多個(gè)基矢的線性組合可得到更豐富的倒格矢，采用此方法可實(shí)現(xiàn)更多不同方向上不同波長(zhǎng)光波的頻率轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)(360°/n)角度的整數(shù)倍可以得到相同的結(jié)果。
本發(fā)明提供了一種具有更豐富倒格矢的二維n重準(zhǔn)周期極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即在同一塊晶體上能夠有在多種方向可以滿足準(zhǔn)相位匹配的倒格矢，并且在同一方向上能夠有更多長(zhǎng)度不等的倒格矢存在。
本發(fā)明提供的一種多方向多波長(zhǎng)倍頻的二維n(n＝8，10，12，15，16，17，24或25)重準(zhǔn)周期準(zhǔn)相位匹配光子晶體，具有以下有益效果1.可以在同一方向上同時(shí)對(duì)多束不同波長(zhǎng)的光波進(jìn)行一階準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換，同時(shí)，通過(guò)多種基矢的線性組合可實(shí)現(xiàn)不同方向上不同種波長(zhǎng)的倍頻轉(zhuǎn)換；2.利用晶體的n重對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)(360°/n)角度的整數(shù)倍后可得到相同的結(jié)果；3.利用具有高重對(duì)稱性的二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)可為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)波長(zhǎng)的倍頻轉(zhuǎn)換提供了奠定一定的基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維八重(n＝8)準(zhǔn)周期光子晶體正格矢空間的格點(diǎn)分布圖，整個(gè)空間由相鄰接的正方形和45°菱形組成。其中，二維八重準(zhǔn)周期圖形的中心位于x-y-z坐標(biāo)系的中心點(diǎn)，該圖形的旋轉(zhuǎn)中心軸與z軸重合，且z軸垂直紙面向外；(a)和(b)為組成二維八重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的基本單元正方形和45°菱形；λo1、λo2、λo3和λo4分別為輸入基頻光λi1、λi2、λi3和λi4的共線準(zhǔn)相位匹配倍頻輸出光。
圖2是外加高壓脈沖電場(chǎng)的方法極化二維八重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰晶體完成后，其+c面的形貌圖。
圖3是二維八重準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)倒格矢空間的格點(diǎn)分布圖。其中，G1和G2為與y軸夾角為0°方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢，G3和G4為與y軸夾角為±25°方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢。
圖4是二維十重(n＝10)準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)正格矢空間的晶格分布圖，其基本結(jié)構(gòu)單元為36°瘦菱形和72°胖菱形。其中，二維十重準(zhǔn)周期圖形的中心位于x-y-z坐標(biāo)系的中心點(diǎn)，該圖形的旋轉(zhuǎn)中心軸與z軸重合，且z軸垂直紙面向外；(a)和(b)為組成二維八重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的基本單元36°瘦菱形和72°胖菱形；具體實(shí)施方式
實(shí)施例1具有多種方向上多種波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維n重準(zhǔn)周期非線性光子晶體，以厚度0.4mm的鈮酸鋰材料為基，其超晶格格點(diǎn)為利用外加23kV/mm高壓脈沖電場(chǎng)的方法制成的極化反轉(zhuǎn)柱子，制備出二維八重(n＝8)準(zhǔn)周期疇反轉(zhuǎn)非線性光子晶體。該非線性光子晶體的正格矢空間超晶格形狀為二維八重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，沿其中心軸即z軸旋轉(zhuǎn)具有八重對(duì)稱性，其中組成基本單元為相鄰接的多邊形，多邊形的邊長(zhǎng)相等；其超晶格對(duì)應(yīng)的倒格矢也為二維n重準(zhǔn)周期形狀分布，該類倒格矢空間在同一方向上具有不同長(zhǎng)度的倒格矢，同時(shí)在不同方向上也存在不同長(zhǎng)度的倒格矢。該二維八重(n＝8)準(zhǔn)周期晶體正格矢空間的格點(diǎn)分布圖，整個(gè)空間由相鄰接的正方形和45°菱形組成，如圖1所示；其中，二維八重準(zhǔn)周期圖形的中心位于x-y-z坐標(biāo)系的中心點(diǎn)，該圖形的旋轉(zhuǎn)中心軸與z軸重合，且z軸垂直紙面向外；(a)和(b)為組成二維八重準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的基本單元正方形和菱形；λo1、λo2、λo3和λo4分別為輸入基頻光λi1、λi2、λi3和λi4的共線準(zhǔn)相位匹配倍頻輸出光。
本實(shí)施例的二維八重(n＝8)準(zhǔn)周期疇反轉(zhuǎn)非線性光子晶體的具體制備方法包括如下步驟1.所采用的晶體為厚度0.4mm的鈮酸鋰材料，首先用電子束曝光的方法制作一塊具有二維八重準(zhǔn)周期格點(diǎn)結(jié)構(gòu)排列的掩模版，如圖1所示；2.利用半導(dǎo)體光刻工藝將掩模版上的準(zhǔn)周期圖案轉(zhuǎn)移到鈮酸鋰晶體+c表面的光刻絕緣膠上；3.使氯化鋰過(guò)飽和溶液的液體電極與未被覆蓋光刻絕緣膠的鈮酸鋰晶體區(qū)域充分接觸進(jìn)行極化，通過(guò)施加23kV/mm高壓脈沖電場(chǎng)使該區(qū)域的疇得以極化反轉(zhuǎn)，形成極化反轉(zhuǎn)圓柱；并且在極化過(guò)程中使晶體處于絕緣油中來(lái)進(jìn)行；4.極化完成后，擦去鈮酸鋰晶體表面的絕緣膠，即得到如圖1所示的二維八重準(zhǔn)周期光子晶體結(jié)構(gòu)。
為了得到更加清晰的斑圖，還將極化后的晶體在室溫下浸泡在氫氟酸中刻蝕10～15分鐘之內(nèi)都可以。由于氫氟酸對(duì)于晶體+c面比-c表面的刻蝕速率快，刻蝕完成后在顯微鏡下即可觀察到清晰的二維n重準(zhǔn)周期格點(diǎn)分布圖，如圖2所示。
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)由基本單元即相鄰接的正方形(a)和45°菱形(b)在x-y平面內(nèi)通過(guò)旋轉(zhuǎn)或平移形成，超晶格格點(diǎn)為外加高壓脈沖電場(chǎng)極化工藝制成的極化反轉(zhuǎn)柱子，晶格常數(shù)即正方形或菱形邊長(zhǎng)為11.77μm。圖3給出實(shí)施例制作的二維八重準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的倒格矢分布圖，可見(jiàn)格點(diǎn)分布仍為二維八重準(zhǔn)周期排列，該倒格矢空間具用更多方向更多長(zhǎng)度的倒格矢。
根據(jù)所給定的晶格周期，使用準(zhǔn)相位匹配倍頻條件(2k⊥i+G⊥=k⊥o,]]>其中 為倒格矢， 和 分別為入射基頻光和出射倍頻光的波矢)，得出本實(shí)施例中沿y軸方向一階準(zhǔn)相位匹配的兩束基頻光波長(zhǎng)為λi1＝1.2048μm和λi2＝1.074μm，晶體中的光束走向如圖1所示。此時(shí)，光子晶體的工作溫度為24.5攝氏度。該共線準(zhǔn)相位匹配倍頻后所得到的光波長(zhǎng)分別為λo1＝0.6024μm(橙光)和λo2＝0.537μm(綠光)，其中所采用的倒格矢為G1和G2(其中，G1:G2=1:2]]>)，如圖3中所示。旋轉(zhuǎn)45°角的整數(shù)倍可以得到相同的結(jié)果，這正是八重對(duì)稱性的充分體現(xiàn)。同時(shí)，利用與y軸成一定對(duì)稱角度方向上的倒格矢，沿y軸方向入射基頻光可以實(shí)現(xiàn)多種不同波長(zhǎng)的非共線準(zhǔn)相位匹配諧頻過(guò)程，其中各波長(zhǎng)間隔最小可達(dá)到幾個(gè)納米。因此，利用同一方向不同長(zhǎng)度的倒格矢及不同方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢可實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的共線及不共線準(zhǔn)相位匹配倍頻轉(zhuǎn)換。在以上的倍頻實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了減小入射基頻光及出射倍頻光的損耗，需要入射光與出射光均垂直于晶體的側(cè)面。
類似地，利用倒格矢空間中四種不同方向上基矢的線性組合，可得到更多不同方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢，例如圖3中與y軸夾角為22.5°方向上的倒格矢G3和G4所示(其中，G3:G4=1+2:1]]>)。因此，利用這兩種倒格矢可實(shí)現(xiàn)基頻波長(zhǎng)為λi3＝0.988μm和λi4＝1.429μm的共線準(zhǔn)相位匹配倍頻轉(zhuǎn)換，倍頻光分別為λo3＝0.494μm(青光)和λo4＝0.7145μm(紅光)，晶體中的光束走向如圖1所示。旋轉(zhuǎn)45°角的整數(shù)倍可以得到相同的結(jié)果。
并且，改變其晶格常數(shù)，相應(yīng)倍頻所需的基頻波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)地改變，由此實(shí)現(xiàn)更多種波長(zhǎng)的頻率轉(zhuǎn)換。
實(shí)施例2采用不同種多重對(duì)稱結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)另外不同種波長(zhǎng)的頻率轉(zhuǎn)換。
參考圖4，本實(shí)施例中光子晶體與實(shí)施例1中光子晶體的晶格均為二維準(zhǔn)周期分布，不同之處在于此結(jié)構(gòu)分布具用十重(n＝10)對(duì)稱性，如圖4所示。對(duì)于十重準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)而言，基本結(jié)構(gòu)單元為36°瘦菱形(a)和72°胖菱形(b)的組合，其中瘦菱形的內(nèi)角為36°和144°，胖菱形的內(nèi)角為72°和108°。本實(shí)施例中以此組合而成的二維十重準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析。在二維八重準(zhǔn)晶中四種基矢(即y軸或旋轉(zhuǎn)45°角的整數(shù)倍)方向各格點(diǎn)間的長(zhǎng)度比為 ；十重準(zhǔn)晶中五種基矢方向上各格點(diǎn)間的長(zhǎng)度比為1.5+125-12]]>。由實(shí)施例1中對(duì)二維八重準(zhǔn)晶的研究可知，倒格矢空間的格點(diǎn)分布比正格矢空間的格點(diǎn)更加豐富。因此，在十重準(zhǔn)晶倒格矢空間結(jié)構(gòu)中基矢方向上至少存在三種長(zhǎng)度不等的倒格矢，這有利于更多種基頻光諧頻過(guò)程的產(chǎn)生。同時(shí)，在與y軸夾角為18°度的方向上同樣存在著豐富的倒格矢。因此，通過(guò)這些同一方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢及不同方向上不同長(zhǎng)度的倒格矢可實(shí)現(xiàn)更多種基頻光的共線及非共線準(zhǔn)相位匹配倍頻轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)36°角的整數(shù)倍可以得到相同的結(jié)果。由此，增加二維準(zhǔn)晶的重?cái)?shù)可為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)波長(zhǎng)的諧頻轉(zhuǎn)換奠定了一定的基礎(chǔ)。
本實(shí)施例的二維十重(n＝10)準(zhǔn)周期疇反轉(zhuǎn)非線性光子晶體的具體制備方法包括如下步驟1.所采用的晶體為磷酸鈦酸鉀材料，首先用電子束曝光的方法制作一塊具有二維十重準(zhǔn)周期格點(diǎn)結(jié)構(gòu)排列的掩模版；2.利用半導(dǎo)體光刻工藝將掩模版上的準(zhǔn)周期圖案轉(zhuǎn)移到磷酸鈦酸鉀+c表面的光刻絕緣膠上；3.使氯化鋰過(guò)飽和溶液的液體電極與未被覆蓋光刻絕緣膠的磷酸鈦酸鉀+c表面區(qū)域充分接觸進(jìn)行極化，通過(guò)施加18kV/mm高壓脈沖電場(chǎng)使該區(qū)域的疇得以極化反轉(zhuǎn)，形成極化反轉(zhuǎn)圓柱；并且在極化過(guò)程中使晶體處于絕緣油中來(lái)進(jìn)行；4.極化完成后，擦去磷酸鈦酸鉀+c表面上的絕緣膠，即得到二維十重準(zhǔn)周期非線性光子晶體。
5.為了得到更加清晰的斑圖，還將極化后的晶體在室溫下浸泡在2∶1配比的氫氧化鉀和硝酸鉀混合溶液中刻蝕10～15分鐘之內(nèi)都可以。
權(quán)利要求
1.一種具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體，為鐵電晶體材料；其特征在于，在該鐵電晶體材料+c表面上轉(zhuǎn)印成二維n重準(zhǔn)周期圖案，其超晶格格點(diǎn)為外加高壓脈沖電場(chǎng)極化形成的反轉(zhuǎn)圓柱，所述光子晶體正格矢空間的超晶格形狀為二維n重準(zhǔn)周期形狀，沿其中心軸旋轉(zhuǎn)具有n重對(duì)稱性，其基本單元為相鄰接的多邊形，其中多邊形的邊長(zhǎng)相等；所述超晶格對(duì)應(yīng)的倒格矢分布也為二維n重準(zhǔn)周期形狀，該類倒格矢空間中不僅在同一方向上具有不同長(zhǎng)度的倒格矢，并且在不同方向上也存在不同長(zhǎng)度的倒格矢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體，其特征在于，所述的鐵電晶體材料包括鈮酸鉀、鉭酸鉀、硼酸鋇、磷酸二氫鉀和磷酸鈦酸鉀材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體，其特征在于，所述的n重為n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
4.一種具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體通過(guò)如下方法制備，其特征在于包括如下步驟(a).首先制備好具有二維n重準(zhǔn)周期圖案的光刻工藝用的掩模版；(b).然后在干凈的鐵電晶體材料+c表面涂一層光刻絕緣膠，利用步驟(a)制備的光刻工藝用掩模版，通過(guò)光刻工藝將二維n重準(zhǔn)周期圖案轉(zhuǎn)移到鐵電晶體材料+c表面上；(c).極化采用氯化鋰液體電極，使氯化鋰過(guò)飽和溶液的液體電極與未被覆蓋鈮酸鋰晶體部分充分接觸進(jìn)行極化，將10～30kV/mm的高壓脈沖電場(chǎng)施加在步驟(b)得到的表面帶有二維n重準(zhǔn)周期圖案的鐵電晶體材料+c上沒(méi)有被絕緣膠覆蓋的區(qū)域進(jìn)行極化，使該區(qū)域的鐵電晶體材料+c得以極化，其超晶格格點(diǎn)為高壓脈沖電場(chǎng)極化工藝制成的極化反轉(zhuǎn)圓柱；晶體的極化方向與二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的中心軸平行；(d).在極化過(guò)程中通常使晶體處于絕緣油中來(lái)進(jìn)行；(e).極化完成后，擦除鐵電晶體材料+c表面的光刻絕緣膠，即可得到具有二維n重準(zhǔn)周期非線性光子晶體。
5.按權(quán)利要求4所述的制備具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期期光子晶體方法，其特征在于，還包括步驟5，將極化后的晶體表面進(jìn)行刻蝕，其刻蝕液根據(jù)晶體種類選擇。
6.按權(quán)利要求5所述的制備具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體方法，其特征在于，所述的刻蝕液為氫氟酸，將極化后的鈮酸鋰光子晶體在室溫下浸泡在氫氟酸中10～15分鐘。
7.按權(quán)利要求5所述的制備具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體方法，其特征在于，所述的刻蝕液為2∶1配比的氫氧化鉀和硝酸鉀混合溶液，將極化后的磷酸鈦酸鉀光子晶體放在該混合溶液中刻蝕10～15分鐘。
8.按權(quán)利要求4所述的制備具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體方法，其特征在于，所述的n重為n＝8，10，12，15，16，17，24或25。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有多方向多波長(zhǎng)準(zhǔn)相位匹配倍頻的二維準(zhǔn)周期光子晶體，采用鐵電晶體材料，其表面上轉(zhuǎn)印成二維n重準(zhǔn)周期圖案，外加高壓脈沖極化該晶體，晶體的超晶格格點(diǎn)被極化制成極化反轉(zhuǎn)圓柱，超晶格形狀為二維n重準(zhǔn)晶排列；超晶格對(duì)應(yīng)的倒格矢也是二維n重準(zhǔn)晶形狀；晶體的極化方向與二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的中心軸平行。該光子晶體可以在不同的角度對(duì)多束不同波長(zhǎng)的光波進(jìn)行倍頻；同時(shí)旋轉(zhuǎn)一定的角度可得到相同的結(jié)果，降低了頻率轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)換效率對(duì)角度的敏感性；利用具有高重對(duì)稱性的二維準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)可為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)波長(zhǎng)的倍頻轉(zhuǎn)換奠定一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1690826SQ20041000902
公開(kāi)日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月19日
發(fā)明者馬博琴, 王霆, 倪培根, 王義全, 程丙英, 張道中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所