一種納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電光元器件的設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域，特別涉及一種新型的電控光偏轉(zhuǎn)技 術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于電光效應(yīng)的光偏轉(zhuǎn)技術(shù)由于響應(yīng)速度快、任意的偏轉(zhuǎn)角、較小的體積、沒有可 移動(dòng)部件、可靠性很高等特點(diǎn)，被認(rèn)為最適合于實(shí)現(xiàn)超快(納秒級)光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，更滿足未 來電光器件小型化、集成化發(fā)展的需要，是未來光偏轉(zhuǎn)發(fā)展技術(shù)的主導(dǎo)方向之一，具有很大 的應(yīng)用前景。目前已提出的電光偏轉(zhuǎn)方法有：
[0003] 基于晶體棱鏡型的偏轉(zhuǎn)方法:通過將晶體切割成棱鏡形的形狀，如直角棱鏡，從而 使入射光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為了增大偏轉(zhuǎn)角度，在LiTa0 3、LiNb03等晶體上，常采用多級級聯(lián)晶體 棱鏡、級聯(lián)疇反轉(zhuǎn)晶體棱鏡等方法。通過這種多級級聯(lián)的方法，其偏轉(zhuǎn)角度也僅為l〇_ 5rad左 右，且所需的棱鏡數(shù)目較多，制作工藝較為繁瑣。
[0004] 基于特殊電極結(jié)構(gòu)型的偏轉(zhuǎn)方法:通過在晶體表面設(shè)計(jì)特殊的電極結(jié)構(gòu)，在電光 晶體中形成垂直于光束傳播方向的梯度電場。當(dāng)平面波垂直入射時(shí)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。常采用的電 極結(jié)構(gòu)，如圓柱電極結(jié)構(gòu)、雙曲面電極結(jié)構(gòu)、凹圓形電極結(jié)構(gòu)、超越曲面電極結(jié)構(gòu)等，晶體有 LiNb03、KDP等。相比于基于晶體棱鏡型的偏轉(zhuǎn)方法，該偏轉(zhuǎn)角度增大了 一個(gè)數(shù)量級，但也僅 達(dá)到了 l(T4rad，仍很小，且需要很高的外加電場，電極加工相對比較困難。
[0005] 以上兩種電光偏轉(zhuǎn)方法均屬于傳統(tǒng)型的電光偏轉(zhuǎn)器的范疇，偏轉(zhuǎn)角度普遍較小。
[0006] 基于電荷控制的新型電光偏轉(zhuǎn)方法:2006年由日本的NTT光子實(shí)驗(yàn)室提出，該方法 通過外電場在矩形的KTN晶體中注入電子(矩形均勻電極），形成空間電荷分布，產(chǎn)生不均勻 電場，基于Kerr效應(yīng)在晶體內(nèi)形成梯度折射率分布，使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角與電壓的平方 成正比，偏轉(zhuǎn)方向平行于電場，可實(shí)現(xiàn)大角度低電壓的掃描。該實(shí)驗(yàn)室已報(bào)道了在通光方向 長5mm，厚度為0.5mm的KTN晶體中實(shí)現(xiàn)了 250mrad(14.3°)偏轉(zhuǎn)，外加電壓只有±250V?；?LiTa03晶體的電光偏轉(zhuǎn)器用14200V/mm的外加電場，在15mm光程上使用10個(gè)棱鏡形的晶體， 才達(dá)到了這一指標(biāo)。
[0007] 目前，國內(nèi)山東大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于KTN晶體，采用偏振方向與電場方向平行 的激光束入射晶體，在千伏電壓內(nèi)實(shí)現(xiàn)了激光光束垂直于電場方向的75mrad偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了 激光光束垂直電場方向偏轉(zhuǎn)的掃描。華中科技大學(xué)光電國家實(shí)驗(yàn)室提出一種基于KTN晶體 的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法。該方法是在矩形的KTN晶體上外加直流電場，使晶體內(nèi)部 電場呈梯度分布，從而使入射光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提出一種納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法。利用誘導(dǎo)光束(光強(qiáng)具有線 性梯度灰度分布的光束、凸加速光束）照射晶體，通過光折變效應(yīng)，在晶體中誘導(dǎo)形成具有 相應(yīng)光場分布的空間電荷場，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)分布的折射率分布。對該晶體加載電壓，平面平 行光波垂直入射該晶體，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過改變誘導(dǎo)光束或/和外加電場的參數(shù)控制光束的偏 轉(zhuǎn)方向或/和角度。
[0009]本發(fā)明不同于以往的基于電誘導(dǎo)的空間電荷控制的光束偏轉(zhuǎn)理論，而是通過不同 的光場分布來誘導(dǎo)形成不同的空間電荷場，實(shí)現(xiàn)對光可編程的電控光束偏轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)納秒 級、大角度、低電壓的光束偏轉(zhuǎn)，為光偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域技術(shù)的研究提供了一種新的方法。
[0010]本發(fā)明方法的具體過程包括：
[0011] 步驟一、誘導(dǎo)光束(光強(qiáng)具有線性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射晶體，通 過光折變效應(yīng)，在晶體內(nèi)中誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)光場分布的空間電荷場。光強(qiáng)具有線性梯度灰度 分布的光束在晶體內(nèi)形成具有棱鏡形折射率分布，凸加速光束誘導(dǎo)晶體內(nèi)形成凸加速(如 Airy)傳輸通道。凸加速光束是指其軌跡描述為x = azn或x = b[ekz-l]，n = 2,3,4,…，a，b，k 均為常數(shù)(如Airy光束，三次曲線光束）。對晶體加載電場，即開通加載電壓系統(tǒng)，可增大其 空間電荷場，從而增大折射率變化量。此處所述的線性梯度分布的誘導(dǎo)光束的產(chǎn)生方式不 限，可以從光路中產(chǎn)生，也可用SLM產(chǎn)生。（1)從光路中產(chǎn)生。將激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、反射 鏡等組成光路系統(tǒng)，產(chǎn)生誘導(dǎo)光束。設(shè)計(jì)并加工具有線性梯度灰度模板，將該模板放入光路 系統(tǒng)中，平面光波垂直入射該模板，經(jīng)該模板調(diào)制后的光場分布具有相應(yīng)的線性梯度分布， 作為誘導(dǎo)光束；（2)利用SLM產(chǎn)生。采用空間光調(diào)制器可以方便的生成具有不同強(qiáng)度分布特 性的光場，用這種特殊設(shè)計(jì)的光場就能在晶體中產(chǎn)生特定的位相調(diào)制，這些特定的位相調(diào) 制即能生成所需要的光束偏轉(zhuǎn)的效果。光強(qiáng)具有線性梯度灰度分布的光束、凸加速（如 Airy)光束的產(chǎn)生均可以采用(2)。
[0012] 步驟二、對上述電光晶體加載電壓，平行光垂直入射該晶體，發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
[0013] 步驟三、改變誘導(dǎo)光束參數(shù)或/和外加電場參數(shù)，操控光束的偏轉(zhuǎn)角度或/和方向。 如改變誘導(dǎo)光束偏振態(tài)、梯度分布(光強(qiáng)、梯度方向角）、凸加速(如Airy)光束參數(shù)，即可改 變晶體內(nèi)的折射率分布，從而改變偏轉(zhuǎn)角度大小或/和方向；改變外加電場大小或/和方向， 改變偏轉(zhuǎn)角度大小或/和方向；改變環(huán)境溫度、誘導(dǎo)光束的光強(qiáng)，改變偏轉(zhuǎn)角度大小，實(shí)現(xiàn)偏 轉(zhuǎn)角度的控制。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明提出的一種納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法流程圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明提出的實(shí)施例光路結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 附圖標(biāo)記：1、第一激光器，2、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，3、反射鏡，4、空間光調(diào)制器(SLM)，5、 分光鏡，6、Mn: Fe: KTN晶體，7、CCD，8、計(jì)算機(jī)，9、偏振片，10、電壓加載系統(tǒng)，11、溫度控制系 統(tǒng)，12、第二激光器。
[0017] 圖3為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種線性梯度光場分布實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面以圖2所示的實(shí)驗(yàn)光路為例，闡述本發(fā)明方法的具體過程：
[0019] 步驟一、
[0020]①誘導(dǎo)光束的產(chǎn)生
[0021]搭建圖2所示的實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)，包括激光器1，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2,反射鏡3,SLM 4,分 光鏡5，Μη: Fe: KTN晶體6，CCD 7，計(jì)算機(jī)8，偏振片9，電壓加載系統(tǒng)10，溫度控制系統(tǒng)11。激光 器1為波長λ = 532ηπι的半導(dǎo)體激光器，發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后變成平面光波，經(jīng)反 射鏡3以12°斜入射SLM 4。設(shè)計(jì)一具有線性梯度灰度分布函數(shù)，如I (X，y )= X tana，其中，梯 度方向角tana = L/X，如圖3所示。將該函數(shù)輸入給SLM 4,經(jīng)SLM 4的出射光波作為誘導(dǎo)光 束，偏振片9使誘導(dǎo)光束為P偏振光。
[0022]②空間電荷場的形成
[0023]實(shí)驗(yàn)所用的晶體6為采用頂部籽晶助溶劑法生長的雙摻雜的Mn: Fe: KTN晶體，其尺 寸為3.4(x) X 2.0(y) X 0.94(z)mm3，居里溫度為27°C。沿晶向[010]切割并光學(xué)拋光，在xz兩表 面鍍銀電極及導(dǎo)線，電場啟通過高壓加載系統(tǒng)10沿y軸方向加載到晶體兩表面，即 _g=。調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)11設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為30°C，使晶體處于順電相。①所產(chǎn)生的誘 導(dǎo)光束經(jīng)分束鏡5入射到晶體6上，基于光折變效應(yīng)，在晶體內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)分布的空間電荷場， 進(jìn)而引起折射率的梯度分布，即具有棱鏡形折射率分布。
[0024]步驟二、光束的偏轉(zhuǎn)與測量
[0025] 關(guān)閉激光器1，打開激光器12，激光器12可與激光器1相同，也可不同。激光器12發(fā) 出的細(xì)光束經(jīng)分光鏡5后（可視為平行光），垂直入射到折射率梯度分布的晶體6上發(fā)生偏 轉(zhuǎn)。此過程中保持電壓加載系統(tǒng)10處于開通狀態(tài)，CCD7記錄并測量光束偏轉(zhuǎn)角度的大小或/ 和方向。
[0026]步驟三、偏轉(zhuǎn)角度和方向的控制
[0027] 改變誘導(dǎo)光束的偏振態(tài)(如TM模式、TE模式）、梯度分布參數(shù)(如梯度方向角)等，即 可改變晶體內(nèi)的折射率分布，從而改變光束偏轉(zhuǎn)的角度大小或/和方向。
[0028] 調(diào)節(jié)電壓加載系統(tǒng)10改變加載電壓的大小或/和方向、調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)11改變 晶體所處的溫度、調(diào)節(jié)激光器1的功率來改變寫入光強(qiáng)大小，即可改變光束偏轉(zhuǎn)的角度大小 或/和方向。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟一、誘導(dǎo)光束照射晶體，通過光折變效應(yīng)，在晶體內(nèi)中誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)光場分布的空 間電荷場;其中誘導(dǎo)光束為光強(qiáng)具有線性梯度灰度分布的光束、凸加速光束;光強(qiáng)具有線性 梯度灰度分布的光束在晶體內(nèi)形成具有棱鏡形折射率分布，凸加速光束誘導(dǎo)晶體內(nèi)形成相 應(yīng)的彎曲通道； 步驟二、對上述的晶體加載電場，平行光垂直入射該晶體，發(fā)生偏轉(zhuǎn)； 步驟三、改變誘導(dǎo)光束參數(shù)或/和外加電場參數(shù)，從而改變偏轉(zhuǎn)角度大小或/和方向，實(shí) 現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度或/和方向的控制。2. 如權(quán)利要求1所述的納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于，所述步驟一 中，還包括對晶體加載電場，以增大其空間電荷場，從而增大折射率變化量。3. 如權(quán)利要求1所述的納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于，所述步驟三 中，還包括連續(xù)改變晶體所加載的電場，實(shí)現(xiàn)非機(jī)械性掃描。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納秒級光可編程的電控光偏轉(zhuǎn)方法。該方法是誘導(dǎo)光束(光強(qiáng)具有線性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射電光晶體，利用光折變效應(yīng)，在晶體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生具有相應(yīng)光場分布的空間電荷場，實(shí)現(xiàn)對入射光束的偏轉(zhuǎn)。通過改變誘導(dǎo)光束或/和外加電場的參數(shù)控制光束的偏轉(zhuǎn)方向或/和角度。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超快(納秒級)、大角度、低電壓的光束偏轉(zhuǎn)，更滿足未來電光器件小型化、集成化發(fā)展的需要，特別適用于機(jī)載、星載平臺。
【IPC分類】G02F1/03
【公開號】CN105607295
【申請?zhí)枴緾N201610103971
【發(fā)明人】呂且妮, 李弼華, 戴海濤, 韓金鑫, 李瑞華
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年2月25日