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光折变光子晶格的带结构研究

作　者: 武瑞祥
导　师: 杨立森
学　校: 内蒙古师范大学
专　业: 光学
关键词: LiNbO3:Fe晶体折射率调制度光折变光子晶格带结构反射率局域
分类号: O734
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 69次
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内容摘要

1987年E.Yablonovitch和S.John提出了光子晶体的概念。光子晶体是一种人造的介电函数在空间呈周期性分布的材料,由于其存在光子带隙,可以人为地改变和操控光子在其中的传播行为,因此光子晶体在光通讯、集成光学等方面具有十分广阔的应用前景,使得光子晶体成为世界范围的一个研究热点,得到了迅速的发展。但其制作工艺比较复杂,给其进一步的研究带来许多困难。用全光学的方法在光折变材料中利用光折变效应写入光子晶格是一种全新的,简便可行的方法。虽然其折射率对比度较低,但是,可以在低入射功率下一次完成,且感应出的光子晶格具有较长的暗存储时间,晶体还可循环使用,具有很高的研究价值和广阔的应用前景,为光子晶体的进一步研究和应用提供了一种新型的材料。关于光子晶体带结构理论方面的研究已趋于成熟。但是目前对光折变非线性光子晶格带结构的研究成为了这一领域的又一研究热点。在自散焦光折变LiNbO₃晶体中写入的阵列波导有类似于光子晶体的周期性结构。因此,研究LiNbO₃晶体中晶格的折射率变化规律及其带结构,对制作光折变光子晶格具有重要的指导意义。本论文中我们首先研究了利用双光束干涉在不同掺Fe浓度的LiNbO₃晶体中分别用红光和绿光写入光子晶格时,晶格周期a、掺Fe浓度、光波波长λ与光致折射率调制度Δn之间的关系。实验结果表明:当用红光（λ=632.8nm）写入光子晶格时,掺Fe浓度不大于0.05wt%,用绿光（λ=532nm）写入光子晶格,掺Fe浓度不大于0.03wt%时,LiNbO₃晶体的光致折射率调制度Δn随晶格周期a的变化存在一个极大值,并随掺铁浓度的增加,相应的折射率调制度极大值也增大,且向晶格周期小的方向移动,这与一中心模型理论得到的关系曲线的变化趋势是相一致的;掺Fe浓度若大于以上两值,理论曲线则完全与实验曲线不符,说明一中心模型的空间电荷场理论只适用于小掺Fe浓度的LiNbO₃晶体;实验还发现LiNbO₃:Fe晶体折射率调制度Δn跟写入光波长λ有关,用同一块晶体,绿光写入时折射率调制度Δn会比红光更大,且极大值向晶格周期减小的方向移动更大。同时我们又从理论上运用平面波展开法计算了利用双光束干涉在光折变LiNbO3晶体中写入的一维光折变光子晶格的带结构,并对比不同折射率对比度下的带结构情况。研究了折射率对比度、晶格周期、占空比对带隙位置、带隙宽度的影响。实验中当我们用与在LiNbO3:Fe晶体中写入光子晶格时相同频率的另一激光束照射到晶体写入光子晶格的区域时,在入射光与光折变光子晶格周期方向成较大的角度（大于78 ）时,观察到了光折变光子晶格对光的局域现象。利用光在分层介质中传播时的传输特性,理论上计算了光在其中传播时的反射率R与入射角度θ之间的关系,发现只有在大入射角度下才出现局域现象。理论计算结果与实验结果是相一致的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章引言  10-24
  1.1 光折变效应  10-17
    1.1.1 光折变效应的概述  10
    1.1.2 光折变效应的物理机制  10-13
    1.1.3 光折变效应的主要特征  13
    1.1.4 光折变效应的带输运模型及其空间电荷场  13-16
    1.1.5 LiNbO_3:Fe 晶体的光折变性质  16-17
  1.2 光子晶体  17-23
    1.2.1 光子晶体的概述  17-19
    1.2.2 光子晶体的传统制作方法  19-20
    1.2.3 光感应光折变光子晶格的制作  20-23
  1.3 本论文的研究内容  23-24
第二章 LINBO_3:FE 晶体折射率调制度的实验研究  24-34
  2.1 双光束耦合空间电荷场理论  24-28
    2.1.1 光生伏打LiNbO_3:Fe 晶体中的一维空间电荷场  24-26
    2.1.2 折射率调制度与晶格周期关系的理论模拟  26-28
  2.2 LiNbO_3:Fe 晶体折射率调制度的实验研究  28-33
    2.2.1 折射率调制度与衍射效率的关系推导  28-30
    2.2.2 双光束干涉的实验装置  30-31
    2.2.3 实验结果及分析  31-33
  2.3 本章结论  33-34
第三章光折变光子晶格带结构的理论研究  34-46
  3.1 平面波展开法计算光子晶体能带结构  34-39
    3.1.1 平面波展开法的理论基础  34-36
    3.1.2 平面波展开法计算光子晶体带结构的本征方程  36-37
    3.1.3 本征方程的求解  37-39
  3.2 一维光折变光子晶格的带结构计算  39-45
    3.2.1 一维光折变光子晶格的实验制作  39-41
    3.2.2 理论计算结果及分析  41-45
  3.3 本章结论  45-46
第四章光折变光子晶格局域光的角度要求研究  46-54
  4.1 光折变光子晶格局域光的实验观察  46-49
    4.1.1 实现光折变光子晶格局域光的实验光路  46-48
    4.1.2 实验结果及分析  48-49
  4.2 光折变光子晶格局域光角度要求的理论研究  49-53
    4.2.1 光在多层介质膜中的传输理论  49-51
    4.2.2 理论计算结果及分析  51-53
  4.3 本章结论  53-54
第五章结论  54-56
参考文献  56-60
攻读硕士学位期间发表的学术论文  60-61
致谢  61

光折变光子晶格的带结构研究

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