光場空間分布的自適應(yīng)操控與微納光子學(xué)應(yīng)用.pdf

1、隨著人們對通信的速度、容量、質(zhì)量需求不斷提高，以半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)已經(jīng)逐漸達(dá)到其極限，以光子為信息載體的全光通信技術(shù)將成為下一代通信技術(shù)的主角。利用光子晶體特有的光子帶隙，可以實現(xiàn)對光場輻射和傳播的精確操控。本論文利用光子晶體的光子帶隙，實現(xiàn)了原子自發(fā)輻射的定向傳播。要實現(xiàn)對光子的精密操控，首先必須制備合適的微納光子器件。在各種微納結(jié)構(gòu)(特別是光子晶體)的制備技術(shù)中，全息印刷術(shù)以其高質(zhì)量、低成本、大面積等優(yōu)點成為人們研究的熱點

2、。全息光刻技術(shù)的關(guān)鍵是特定結(jié)構(gòu)的微納光學(xué)圖案，特別是含缺陷光子晶格結(jié)構(gòu)的合成。目前光場的空間合成技術(shù)，大多采用“直接”的光場空間合成方案，由給定的多光束特性確定整個光場的空間分布，但此方法對于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)往往無能為力。本論文研究利用生物進(jìn)化算法，尋求空間圖案的逆向自適應(yīng)的設(shè)計方法，在理論與實驗上快速獲取所需的目標(biāo)光場分布，可大大簡化微納光子器件的設(shè)計，降低制造成本，提高樣品制備速度。建立的自適應(yīng)光場合成系統(tǒng)不僅可以用于復(fù)雜空間光場的合

3、成，還可用于其他光與物質(zhì)相互作用的自動優(yōu)化，光場相位的自動還原，光學(xué)目標(biāo)自動跟蹤等領(lǐng)域。論文對以上內(nèi)容做了較深入的研究，共分為以下幾個部分：
　　 1.研究了基于相位控制的光場空間合成技術(shù)。在計算機(jī)中設(shè)計所需要的目標(biāo)光場圖案，根據(jù)實驗中實時探測的光場分布，與目標(biāo)圖案比較，通過模擬退火(Simulated Annealing，SA)算法進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值控制，利用液晶空間光調(diào)制器(spatial light modulators，SL

4、M)優(yōu)化多光束的相位，自動獲取所需的目標(biāo)光場分布。在此基礎(chǔ)上，利用感光材料記錄所合成的空間光場以實現(xiàn)功能性光子晶體模板的制備。
　　 2.研究了基于非線性頻率轉(zhuǎn)換的激光光束合成技術(shù)。利用自適應(yīng)光場優(yōu)化系統(tǒng)對BBO晶體倍頻實驗中光場的偏差和相位畸變實現(xiàn)了自動矯正，優(yōu)化了倍頻效率。同時利用非共線的多束激光在BBO晶體中實現(xiàn)了光束的合成及合成光強(qiáng)度分布的自適應(yīng)優(yōu)化。
　　 3.利用相位控制多光束干涉法和數(shù)字微鏡陣列(digit

5、al micro-mirror device，DMD)成像技術(shù)在向列型摻雜液晶中制備了微米量級實時可調(diào)光子晶格，研究了光場與液晶分子的相互作用機(jī)制及動態(tài)過程，利用所形成的可調(diào)諧光子晶格實現(xiàn)了對光場傳播的調(diào)控。
　　 4.研究了自組織生長的三維蛋白石和反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的第一帶隙和高階帶隙對熒光自發(fā)輻射的控制。在實驗上觀測到了光子晶體帶隙對摻雜在其中的稀土原子空間發(fā)光具有強(qiáng)烈的方向性調(diào)制。通過計算光子晶體中方向態(tài)密度分布，并考慮