光折变晶体中大面积光子点阵的制作与分析

蒋栋栋，靳文涛，薛燕陵

（华东师范大学 信息学院通信工程系，上海200241）

光折变晶体中大面积光子点阵的制作与分析

蒋栋栋，靳文涛，薛燕陵

（华东师范大学 信息学院通信工程系，上海200241）

使用多光束干涉的光诱导法成功地在Li N bO3：Fe晶体中制作了大面积二维三角光子晶格，介绍了制作装置和实现方法。观测了激光从晶体侧面垂直于光子晶格柱方向和从晶体正面沿着光子晶格柱的方向照射时，晶体中的布喇格反射现象和相应的带隙分布，并讨论了光波在该晶格结构中的传播特性。

光子点阵；光折变效应；布喇格反射；透射谱

0 引言

光子晶体凭借其本身的光子带隙特性，近年来受到了研究者的广泛关注。光子频率带隙的存在使某些特定波长的光波无法在光子晶体内部传播，这一特性可用于抑制自发辐射效应[1，2]。另一方面，光子空间带隙的存在说明某些特定角度的光会发生布喇格（Bragg）反射，这一特性不仅能用于检验光子晶体的结构，而且还能用来制作基于光子晶体衍射光栅的波分解复用器[3～6]。

如何在光折变晶体中制作各种各样的光子微结构一直是人们研究的焦点。光诱导法作为一种新型的制作光子微结构的方法，近年来获得了很大关注。光诱导法能利用很低功率的光在光折变材料中方便地制作光子微结构。其主要过程是将多束光干涉后形成的光强图案照射到光折变晶体表面上，经过曝光后将干涉图案“记录”进光折变晶体内部，最终形成相应的光子微结构[7，8]。此前已有一些关于利用光诱导法制作一维光子微结构的研究[9,10]，但少有制作二维光子晶格的。本文利用光诱导法完成二维光子晶格的制作，并采用Bragg反射现象对制作的光子晶格[3～5]进行研究。

1 制作光子晶格与观测Bragg反射现象的实验装置

本文利用基于光折变效应的光诱导技术在LiNbO3：Fe晶体中制作了光子晶格，具体实验装置如图1所示。实验中YAG激光器产生波长为532nm的激光，光束通过分束器被分成两路光，a路光用于制作光子晶格结构，b路光用于观察产生的光子晶格结构。a路光中，激光经过空间滤波器（SF）和透镜L1准直扩束后成为平行光照射到三角棱镜（TP）上。TP由三块契角为γ的棱镜组成，契角γ的存在使通过三块棱镜的平行光向光轴偏折，造成3条光束干涉并汇聚到LiNbO3：Fe晶体前表面，3条光束干涉形成的图案决定了在LiNbO3：Fe晶体中形成的三角光子晶格。本文使用的LiNbO3：Fe晶体中铁的浓度为0.025wt%，晶体尺寸为10mm×10mm×5mm。功率为12mW的激光通过30h的辐照即可在晶体中写入光子晶格。透镜L3可将晶体中写入的晶格结构成像到CCD相机上。实验中我们采用相机拍摄到产生在晶体10mm×10mm晶面上的二维三角光子晶格如图2所示，表明本实验成功。图2中标出的6μm和9μm表示不同晶面间的距离，在晶体的纵深方向，产生的结构为平行柱子。

图1 制作二维三角光子晶格的实验装置

图2 用CCD相机拍摄到的在晶体10mmx10mm晶面上产生的二维三角光子晶格

本文测量了在不同旋转角度时，LiNbO3：Fe晶体中光子晶格结构的透射功率谱，测量装置如图3所示。实验中激光经过衰减片（OA）后，照射到已经写入光子晶格结构的LiNbO3：Fe晶体上，通过转动旋转台改变照射在光子晶格结构上的透射光角度。实验中，我们采用波长为532nm和650nm的激光分别从晶体侧面垂直于光子晶格柱子的方向和晶体正面沿着光子晶格柱子的方向入射 （分晶体正放和转动90°摆放），以此达到多重测量，了解晶体中写入的光子晶格结构在各个方向上的特性。

图3 用于测量光子晶格透射功率谱的装置

2 实验结果

2.1 从晶体侧面垂直于光子晶格柱子的方向入射激光

将波长为532nm的激光从晶体侧面垂直于光子晶格柱子的方向入射，通过旋转晶体,观测其Bragg反射特性，得到反射光斑图。激光从晶体侧面入射晶体的示意图和反射光斑图如图4所示。当晶体顺时针旋转和逆时针旋转时，获得一级Bragg反射（即图4（b）中的两侧斑点，对应于图4（a）中黑色平行线代表的晶面）。通过测量反射光斑与中心光斑的间距D、中心光斑与晶体间的距离L，根据tanβ=D/L，得到对应的Bragg反射角 θ1=β/2=2.334°。根据 Bragg方程2d1sinθ1=nλ，取 n=1，得到相应的晶面距离 d1= 6.553μm。使用波长为650nm的激光进行同样的实验，测得β=2.928°，据此算出晶面距离d1=6.362μm，可以看出两种波长的实验结果相近。

图4 532nm激光从晶体侧面垂直于光子晶格柱方向入射的示意图和反射光斑图

2.2 从晶体正面沿着光子晶格柱子的方向入射激光

当晶体正放和转动90°摆放时，将波长为532nm的绿光和波长为650nm的红光分别从晶体正面沿着光子晶格柱子的方向入射，测量这两种情况下晶格点阵的透射谱和Bragg衍射光斑图。

2.2.1 晶体正放

图5为将LiNbO3：Fe晶体正放时分别用532nm和650nm的激光从晶体正面沿着光子晶格柱方向入射至晶体中进行角度依赖的透射谱测量的实验结果。图5（a）为晶体正放时的点阵结构图，图5（b）为对应的实验布里渊区图。从中可以清晰看到第一和第二布里渊区。图5（c）为理论布里渊区图，实验中晶体随旋转台转动时激光扫射的投影线与第一布里渊区产生两处交点，Bragg反射发生在这两处交点上，正好对应图5（d）中透射谱的两处凹陷。图5（d）为晶体旋转时角度依赖的透射谱，可以看出,与波长为532nm的绿光相比，波长为650nm的红光透射谱上的凹陷更为明显，说明红光的Bragg反射更强烈。透射谱凹陷对应的Bragg反射角为θ1，依据Bragg方程2d1sinθ1=nλ，取n= 1，可以得到相应的晶面距离d1。对于绿光，计算所得的平均晶面间距d1=6.502μm；对于红光，平均晶面间距d1=5.944μm，两者相近。根据Bragg方程可知，当d1一定时，波长越大，θ1越大，这与频谱图中红光凹陷位置更靠外的实际情况相符合。

图5 晶体正放时，在波长为532nm和650nm的激光照射下的实验结果

因为2.1节与本节所做的计算对应的晶面相同，所以得出的数据具有可比性。通过数据对比可以看出，两组数据非常接近，说明这两种实验方法都可以准确地测量光子晶格的晶面距离，测量的准确性取决于旋转台角度读数的准确性。

图5（e）～图5（j）为透射谱测量时当晶体未开始旋转和晶体旋转到透射谱凹陷时在晶体后方拍到的衍射光斑图。其中图5（f）和图5（i）是激光正入射（晶体未有旋转）时的光斑图，图5（e）和图5（h）是晶体逆时针旋转至透射谱凹陷时的光斑图，图5（g）和图5（j）是晶体顺时针旋转至透射谱凹陷时的光斑图。可以看出当晶体受到光线正入射时，能量主要集中于中心光斑；当晶体分别旋转至左右两处凹陷时,由于Bragg反射能量发生了明显的转移,分别偏向于各自凹陷的另一侧，Bragg反射增强了相应位置的光强，因此在Bragg反射的极值方向形成两处明显的反射光斑。通过对比图5（e）、图5（h）和图5（g）、图5（j）可以知道图5（h）、图5（j）中的反射光斑更亮，说明红光的Bragg反射更强。这与图5（d）中红光的凹陷更深一样，反映出这时红光的Bragg反射效果比绿光强。

2.2.2 晶体旋转90°摆放

图6为将LiNbO3：Fe晶体旋转90°摆放时分别用532nm和650nm的激光从晶体正面沿着光子晶格柱子的方向入射至晶体中进行角度依赖的透射谱测量的实验结果。图6（a）为晶体旋转90°摆放时的结构点阵图，黑线标出了实际发生Bragg反射时的晶面。图6（b）为与图6（a）对应的实验布里渊区图，从中可以清晰看到第一和第二布里渊区。图6（c）为理论布里渊区图，黄色部分为第一布里渊区，图中红线表示的是实验中晶体随旋转台转动时激光扫射的投影线，它与第一布里渊区产生两处交点，Bragg反射发生在这两处交点上，对应于图6（d）中透射谱的两处凹陷。图6（d）为晶体旋转时角度依赖的透射谱。可以看出，与红光相比，绿光的凹陷更为明显，说明绿光的Bragg反射更强烈。透射谱凹陷对应的Bragg反射角为θ2，依据Bragg方程2d2sinθ2=nλ，取n=1，可以得到相应的晶面距离d2。对于绿光，计算得到的平均晶面间距d2=9.009μm；对于红光，平均晶面距离d2=9.505μm，两者相近。

图6（e）～图6（j）为透射谱测量时当晶体尚未开始旋转和晶体旋转到透射谱凹陷时在晶体后面拍到的衍射图。其中图6（f）和图6（i）是激光正入射（晶体未有旋转）时的光斑图，图6（e）和图6（h）为晶体逆时针旋转至透射谱凹陷时的光斑图，图6（g）和图6（j）为晶体顺时针旋转至透射谱凹陷时的光斑图。可以看出当晶体受到光线正入射时，能量主要集中于中心光斑；当晶体分别旋转至左右两处凹陷时，由于Bragg反射能量发生了明显的转移，分别偏向于各自凹陷的另一侧，Bragg反射增强了相应位置的光强，因此在Bragg反射的极值方向形成两处明显的反射光斑。对比图6（e）、图6（h）及图6（g）、图6（j），可以看出图6（e）、图6（g）中的反射光斑更亮，说明绿光的Bragg反射更强。这与图6（d）中绿光的凹陷比红光深一样，反映出晶体正放时绿光的Bragg反射效果比红光强。

图6 晶体旋转90°摆放时，在波长为532nm和650nm的激光照射下的实验结果

3 结束语

本文利用光诱导法成功地在LiNbO3：Fe晶体中制备了大面积的二维三角结构光子晶格，制得的光子晶格不仅能在黑暗条件下保存较长时间 ，而且还可以通过强光照或加热等方式进行擦除或重写，提高了晶体的利用率。我们先令激光从晶体侧面垂直于光子晶格柱子的方向射入，通过测量其Bragg反射光斑的距离，计算出相应的反射晶面距离。再令激光从晶体正面沿着光子晶格柱子的方向射入，同时将晶体分正放和转动90°摆放两种情形进行讨论分析，测量得到透射功率谱，并拍摄透射谱凹陷处的衍射光斑，根据透射谱凹陷计算出相应的晶面距离。比较晶面距离可以知道，激光从晶体侧面入射测量与激光从晶体正面入射测量得到的结果一致，即晶面的Bragg反射效应可以表征晶格结构，说明本文成功制备了大面积的光子晶格。

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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。

国家自然科学重点基金（批准号：11234003和91436211）资助。

蒋栋栋（1989-），男，硕士研究生，主要从事光通信与光电子器件的研究。