电光调制光子晶体位相阵列光分束器的研究

利用外场调制非线性光子晶体的电光效应，实现光振幅纯位相周期分布场是一项具有挑战性新近出现的课题。本课题提出在掺镁近化学比铌酸锂晶体上，制作六角非线性光子晶体位相阵列，应用较低的外加电压（≤1kV）调制光子晶体的电光效应，实现光波在0-2π间位相的连续改变，使晶体透光范围（5μm-312nm）内的任意光波透过该位相阵列达到光束的光强均匀分布，获得光衍射效率大于80%的纯位相光场振幅分布，实现光分束。同时，从理论上数值求解该光子晶体位相阵列周期结构的参数比，开展六角非线性光子晶体位相阵列光分束器的设计研究；理论分析周期函数的菲涅耳衍射场分布E(x,y)随光子晶体结构位相阵列的周期变化，开展光子晶体外加电场调制对实现光振幅纯位相分布场影响的理论研究。探索实时精细调控位相分布的电场调制技术，使出射的光强均分到若干衍射级次上，形成均匀的光阵列强度分布，由此发展新型电光调制光子晶体微小光学器件。

理论研究了六角二维光子晶体微结构阵列产生纯位相菲涅耳衍射场分布的条件，并分析研究了周期函数的菲涅耳衍射场分布E(x,y) 随二维光子晶体微结构阵列dx及dy的周期变化。外加电场调制使光子晶体折射率和压电厚度发生变化，从而使光波实现位相的改变，根据光波可逆性原理，分析在平面波入射时二维光子微结构位相阵列产生高效均匀阵列光斑的衍射自成像效应，对基于泰伯效应的外加电场调制二维六角位相阵列光栅的设计及其衍射成像进行了研究，结果表明当二维阵列光栅占空比D = 52%、位相差Δφ = 0.75π、泰伯分数β = 0.2 时, 光栅后近场光衍射强度最大。基于理论研究，在厚为0.5~1mm的Z切光学级掺镁铌酸锂晶片上，利用微电子光刻技术工艺，刻蚀出所设计的掩模图形。为了避免掺镁铌酸锂晶体极化过程中的漏电和铁电畴横向扩张的现象，采用背向反转短脉冲极化电场技术与精密控温技术相结合，制作出了掺镁铌酸锂晶体六角二维光子微结构位相阵列，同时研究了射频磁控溅射制备ITO/LN薄膜的最佳工艺条件，采用该溅射条件制备了掺镁铌酸锂二维非线性光子晶体泰伯效应位相阵列光分束器，应用≤0.5kV的外加电压调制位相阵列光分束器，即可实现532nm的光波在0~2π间位相的连续改变，且其近场衍射成像的相对光强可达0.67。在上述研究基础上，率先开展了畴腐蚀掺镁铌酸锂二维非线性光子晶体光分束器的研究，设计与制备了不同腐蚀深度和占空比的掺镁铌酸锂畴腐蚀二维阵列光分束器，并对其进行了分数泰伯光衍射成像的实验研究，获得了较好的近场衍射图像，该研究为发展新型光子晶体阵列器件提供了一种新的方法。