二维无衍射光子晶格的制作与实验研究

摘要

光子晶格是一种介电系数在空间上呈周期性变化的人工微结构。由于其存在光子带隙，使得一定波矢和频率的光波不能在其中传播。这种特性为人们控制和操纵光波的传播开辟了一条崭新的途径，并迅速的引起了人们的广泛关注。光子晶格的制作是进一步研究其特性的前提和基础。因为光子晶格的周期为光波的波长量级，采用传统方法制作存在工艺复杂、成本高等缺点。随着对光折变材料研究的深入，针对光折变晶体的光诱导法制作光子晶格的方法以其简便、实时、成本低廉的特点得到了人们的广泛关注。目前采用光诱导法在光折变晶体中制作光子晶格已经取得了很多意义重大的成果。但是，这些制作方法光路复杂不易调节抑或是需要依赖价格昂贵的设备。本文中制作光折变光子晶格的方法为掩膜法，该方法光路简单易调节，不依赖价格昂贵的设备，成本低廉。另外我们可以通过设计不同的掩膜来制作不同结构的光折变光子晶格。具体内容如下：
　　1.简要介绍了光子晶体的发展历史、研究意义、制作方法和本课题的研究思路。
　　2.从光子晶体的结构和特征入手介绍什么是光子晶体，并详细介绍了光子晶体的结构、光子禁带和光子局域；随后介绍了光子晶体中光折变效应的物理机制和原理方程；接着又讨论了光子晶格的Bragg衍射条件；最后介绍了光子晶格的布里渊区图谱和无衍射晶格形成光。
　　3.利用三孔掩膜和六孔掩膜分别在外部偏置掺铈铌酸锶钡晶体中光诱导出了三角光折变光子晶格，用远场衍射图样、布里渊区图谱分析验证了成功写入的光子晶格，并用采用引入平面参考光的方法间接观测到了晶格光场的相位分布。从理论上推导出了两种晶格的光场公式，用matlab进行了数值模拟，进一步模拟出了两种晶格的三维图像，另外，我们通过改变掩膜上三孔的相对位置，数值模拟出了当三个小孔分别为锐角三角形、直角三角形和钝角三角形时晶格光场的强度分布图、相位分布图和远场衍射图样。
　　4.通过改变晶格形成光的初始相位在非线性晶体中用掩膜法诱导出了蜂窝状光子晶格和一些相关的晶格结构。初始相位的改变是通过在六孔振幅掩膜上叠加相位掩膜的方法实现的，该相位掩膜由三个玻璃板构成。理论推导出了蜂窝状光子晶格的光场公式，并将数值模拟的结果与实验结果进行了对比。用远场衍射图样，布里渊区图谱对诱导形成的蜂窝状光子晶格结构进行了分析验证，并用引入平面参考光的方法间接的观测到了蜂窝状光子晶格光场的相位分布。另外，我们通过微调相位板的角度改变初始相位条件得到了涡旋晶格、戈薇晶格和与二硫化钼结构类似的畸变蜂窝状光子晶格的光场。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本论文的主要工作

第2章 理论基础

2.1 光子晶体

2.2 光折变效应

2.3 光子晶格的Bragg衍射

2.4 光子晶格的布里渊区

2.5 无衍射晶格形成光

2.6本章小结

第3章 无衍射光子晶格的模拟及诱导

3.1 前言

3.2 实验原理

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 制作蜂窝状光子晶格以及相关光子晶格的简单方法

4.1 蜂窝状光子晶格的研究背景

4.2 蜂窝状光子晶格光场的理论计算与模型

4.3 实验结果与讨论

4.4 实验结论

4.5 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 本论文工作总结

5.2 下一步工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的文章

致谢