本發(fā)明屬于光子技術(shù)領(lǐng)域中的光子學(xué)微結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，尤其涉及一種制作大面積光子晶體的方法和裝置。

背景技術(shù)：

光子微結(jié)構(gòu)作為一類性能優(yōu)異的人工微結(jié)構(gòu)材料，在實(shí)現(xiàn)人為操控光子運(yùn)動方面具有十分誘人的應(yīng)用前景。光子微結(jié)構(gòu)的定義非常寬泛，涵蓋了多種材料結(jié)構(gòu)。這些材料結(jié)構(gòu)具有一些基本的共同特點(diǎn)，即在原本均勻的光學(xué)介質(zhì)中通過人工的手段產(chǎn)生折射率調(diào)制或突變，并且使這些調(diào)制和突變的空間尺度與光波的波長相比擬。介質(zhì)的折射率在經(jīng)過調(diào)制和突變后，其光學(xué)性質(zhì)與以前相比發(fā)生了顯著的變化，會產(chǎn)生一些在均勻光學(xué)介質(zhì)中從未出現(xiàn)過的新現(xiàn)象。例如，當(dāng)光波在光子微結(jié)構(gòu)材料中傳播時，光波的傳輸行為和模式會受到微結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用而出現(xiàn)分立化，呈現(xiàn)出明顯的“粒子性”特點(diǎn)，符合準(zhǔn)動量守恒和能量守恒的關(guān)系，從而出現(xiàn)反常衍射、反常折射、分立孤子等奇特的現(xiàn)象。這些新現(xiàn)象和新效應(yīng)加深了人們對光波本質(zhì)的認(rèn)識，為控制光波的傳輸行為提供了新的思路。使人們能夠以新的方式操控光子運(yùn)動，有助于光子技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱没?。光子微結(jié)構(gòu)涵蓋的種類非常豐富，例如多層介質(zhì)膜、Bragg光纖光柵、微結(jié)構(gòu)光纖、波導(dǎo)陣列、光學(xué)微諧振腔等，其中光子晶體是一種最典型的光子微結(jié)構(gòu)。光子晶體存在光子帶隙，光波在光子晶體中傳播時，其傳輸行為受到“光子帶隙”的控制，頻譜落在禁帶上的電磁波將無法傳播，因此，光子晶體為控制光波傳播提供了一種新的可能。利用光子晶體的這一特性，可以研制出一系列全新原理的高性能光子器件。這有望取代大部分傳統(tǒng)光學(xué)器件，在全光通信、光互連、光信號處理、光子芯片等信息科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

光子晶體結(jié)構(gòu)中折射率調(diào)制的空間尺度與光波波長相比擬，在這個尺度上進(jìn)行材料的精密加工需要制備工藝滿足較高的要求。目前典型的光子晶體制備技術(shù)主要有半導(dǎo)體精密加工、電子束光刻、激光直寫技術(shù)以及反蛋白石法等。這些制備方法雖然在不同程度上實(shí)現(xiàn)了光子晶體結(jié)構(gòu)的制作，但是大部分都存在設(shè)備復(fù)雜，工藝繁瑣、成本昂貴，生產(chǎn)效率較低的缺點(diǎn)，這限制了光子晶體實(shí)用化的進(jìn)一步推廣。因此，如何提高光子晶體的制備效率，高效的制作出具有較大面積的光子晶體結(jié)構(gòu)是一個亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種可制作大面積光子晶體的方法和裝置。該方法的裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，穩(wěn)定性好，靈活性高，可高效率的制作多種大面積的光子晶體結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種制作大面積光子晶體的方法，步驟如下：

（1）將若干楔形棱鏡鑲嵌在平板上，楔形棱鏡的底邊朝向平板的中心，制成多楔鏡板；

（2）將激光器（1）發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，將擴(kuò)束后的光照射到步驟（1）制成的多楔鏡板上，光束經(jīng)過多楔鏡板后照射到光敏材料上，經(jīng)過曝光，得到光子晶體。

所述步驟（1）中楔形棱鏡至少設(shè)置兩個，每個楔形棱鏡的尺寸、楔角等參數(shù)都相等，且每個楔形棱鏡底邊到平板中心的距離都相等，即它們處于一個同心圓上。

所述步驟（2）光敏材料可以是光折變晶體、光刻膠、照相底片或全息干板中的任意一種。

所述步驟（2）中激光器、擴(kuò)束鏡、楔形棱鏡所在同心圓的圓心和光敏材料處于同一光軸上。

將若干具有相同參數(shù)規(guī)格（楔角相同，尺寸相等）的楔形棱鏡鑲嵌到一塊薄平板上，保證每個楔形棱鏡的底邊都向著平板的中心方向。在寬平行光的輻照下，每個鑲嵌楔形棱鏡的部分都會有光束透過。由于楔形棱鏡只改變光束的傳播方向而不改變其波前形狀，所以透過楔形棱鏡的光束是一系列平面波，并且每束光都會向靠近平板中心的位置偏轉(zhuǎn)。在平板中心法線方向的一定位置處這些偏轉(zhuǎn)光束會發(fā)生疊加，從而產(chǎn)生干涉。由于楔形棱鏡的通光孔徑較大，所以干涉光場就具有較大的面積。這樣一個鑲嵌有N個楔形棱鏡的多楔鏡板就可以實(shí)現(xiàn)N束光的大面積干涉。將多楔鏡板產(chǎn)生的大面積多光束干涉光強(qiáng)圖案投射到光敏材料上，經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠毓?，就能在材料中形成與干涉強(qiáng)度圖案相對應(yīng)的折射率微結(jié)構(gòu)，即大面積的光子晶體結(jié)構(gòu)。通過合理的設(shè)定平板上楔形棱鏡的個數(shù)和幾何配置，可以實(shí)現(xiàn)不同類型的大面積多光束干涉，從而在光敏材料中制作出多種大面積的光子晶體結(jié)構(gòu)。

楔形棱鏡的材質(zhì)是光學(xué)玻璃，光學(xué)玻璃質(zhì)地均勻，具有良好的透光性，系統(tǒng)的通光效率很高，光能量損失少。

本發(fā)明楔形棱鏡對光束的偏轉(zhuǎn)作用滿足關(guān)系式θ=(n-1)α（n為楔形棱鏡介質(zhì)的折射率，α為楔形棱鏡的楔角）。改變楔角α，可以靈活地實(shí)現(xiàn)光束的各種偏轉(zhuǎn)角度θ。在當(dāng)前的光學(xué)元件加工技術(shù)下，楔形棱鏡的楔角可以方便的加工成任意的角度，加工不同楔角的楔形棱鏡成本相近，可批量化生產(chǎn)。因此，用楔形棱鏡可以靈活的制作各種不同周期的結(jié)構(gòu)，而不顯著增加成本。

本發(fā)明的有益效果是：1）用單個多楔鏡板產(chǎn)生了大面積的多光束干涉，裝置簡單，無需復(fù)雜調(diào)節(jié)；2）裝置穩(wěn)定性強(qiáng)，抗機(jī)械振動效果好，易于加工，制作成本低；3）制作的光子晶體具有較大的面積。鑲嵌的楔形棱鏡具有較大的通光孔徑，可以產(chǎn)生大面積的干涉圖案，制作出大面積的光子晶體。以鑲嵌有尺寸為15mm×15mm的楔形棱鏡的四楔鏡板為例，其制作的光子晶體面積可超過200mm²，大大提高了制作效率。4）裝置靈活性強(qiáng)，通過設(shè)定平板上楔形棱鏡的個數(shù)和幾何配置，可以制作出多種大面積的光子晶體結(jié)構(gòu)。制作的光子晶體結(jié)構(gòu)的周期大小可以通過改變楔形棱鏡的楔角來進(jìn)行調(diào)整；5）本發(fā)明的裝置適用于多種光子晶體材料的制作，其光敏材料可以是光折變晶體、全息干板、光刻膠、照相底片等多種感光介質(zhì)，利用該裝置可以制作出各種材質(zhì)的大面積光子晶體結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明楔形棱鏡鑲嵌方式的示意圖（以四楔鏡板為例）；

圖2是實(shí)施例1三楔鏡板結(jié)構(gòu)示意圖和利用三楔鏡板制作的大面積二維三角晶格光子晶體結(jié)構(gòu)；

圖3是實(shí)施例2中四楔鏡板結(jié)構(gòu)示意圖和利用四楔鏡板制作的二維四方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)；

圖4是實(shí)施例3中五楔鏡板結(jié)構(gòu)示意圖和利用五楔鏡板制作的二維光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)；

圖5是本發(fā)明的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的方法和裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施本發(fā)明的過程、條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識和公知常識，本發(fā)明沒有特別限制內(nèi)容。

圖1是以四個楔形棱鏡為例，在平板上進(jìn)行鑲嵌的結(jié)構(gòu)示意圖，圖a和b是四個楔形棱鏡的幾何關(guān)系配置圖；c是四楔鏡板的示意圖。

激光源的選擇可以是可見光波段和近紅外波段的任意波長，這取決于光敏材料的響應(yīng)范圍。

通過合理設(shè)定平板上楔形棱鏡的個數(shù)和幾何配置，以及設(shè)計(jì)不同的楔形棱鏡參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)目的大面積多光束干涉，從而制作出具有不同周期尺度的光子晶體、光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。

楔形棱鏡的個數(shù)X決定了制作光子晶體結(jié)構(gòu)的形狀特點(diǎn)。當(dāng)X=2, 3, 4, 6時，制作出的是周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)。而當(dāng)X=5，或者X≥7時，制作出的是準(zhǔn)周期性的光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。

楔形棱鏡的尺寸影響著干涉光場面積的大小，楔鏡的尺寸越大制作出的光子晶體結(jié)構(gòu)面積越大。楔形棱鏡的楔角角度影響著光子晶體結(jié)構(gòu)的周期大小，楔角的角度越大，制作的光子晶體結(jié)構(gòu)周期常數(shù)越小。

實(shí)施例1

本實(shí)施例以鑲嵌有三個楔形棱鏡的三楔鏡板為例，制作大面積的二維三角晶格光子晶體，具體方法如下：

（1）將三個尺寸為18mm×18mm，楔角為3.5°的楔形棱鏡鑲嵌在平板上，楔形棱鏡的底邊朝向平板的中心，楔形棱鏡處于一個同心圓上，這樣能保證光束在經(jīng)過楔形棱鏡后都向著平板中心的法線方向發(fā)生偏折，光束的偏折角度由楔形棱鏡的楔角決定，制成多楔鏡板3；

（2）將激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束，將擴(kuò)束后的光照射到步驟（1）制成的多楔鏡板3上，光束在透過多楔鏡板上的楔形棱鏡傳播時都會朝著楔形棱鏡的底邊方向發(fā)生偏折，并仍然保持平面波的狀態(tài)，由于多楔鏡板上鑲嵌的楔形棱鏡具有相同的尺寸，所以這些光束也具有相同的直徑，在多楔鏡板中心法線方向的一定距離處，這些透過多楔鏡板傳播的光束會發(fā)生疊加，進(jìn)而產(chǎn)生大面積的干涉光場；將光敏材料4放置在該干涉光場中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠毓?，就能形成與干涉強(qiáng)度圖案相對應(yīng)的大面積光子晶體結(jié)構(gòu)。這里采用的光敏材料4是摻鐵鈮酸鋰光折變晶體，在晶體中制作出的二維三角晶格光子晶體的面積約為230mm²。

本實(shí)施例中使用的激光源是532nm的Nd:YAG固態(tài)激光器，功率為100mW。其中激光器1、擴(kuò)束鏡2、多楔鏡板3和光敏材料4設(shè)于同一光軸上。

如圖2所示，其中圖a是三楔鏡板的示意圖，圖b是三楔鏡板制作的大面積二維三角晶格光子晶體。

實(shí)施例2

本實(shí)施例將鑲嵌的楔形棱鏡設(shè)置為4個，楔鏡的尺寸為15mm×15mm，楔角為3.3°，如圖3中a所示。其余制備方法同實(shí)施例1，在光折變晶體中制作出的二維四方晶格光子晶體的面積約為200mm²。如圖3中b所示，本實(shí)施例利用四楔鏡板制作的二維四方晶格光子晶體。

實(shí)施例3

本實(shí)施例將鑲嵌的楔形棱鏡設(shè)置為5個，楔鏡的尺寸為12mm×12mm，楔角為3°，如圖4中a所示。其余制備方法同實(shí)施例1，在光折變晶體中制作出的二維光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)的面積約為100mm²。如圖4中b所示，本實(shí)施例利用五楔鏡板制作的二維光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例4

本實(shí)施例將前面三個實(shí)施例中的光敏材料4換成光刻膠、全息干板等其他類型的光敏材料，可制作其他基質(zhì)的光子晶體、光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。