專利名稱:高速電控全息晶體衍射分束器及其制備方法和基于該分束器實(shí)現(xiàn)的分束方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種分束器及其制備方法,以及一種分束方法。
背景技術(shù):
在光通信、光計(jì)算、圖像處理等諸多領(lǐng)域,分束器是基本的功能光學(xué)元件之一,應(yīng) 用廣泛。隨著光網(wǎng)絡(luò)及光信息處理系統(tǒng)的迅速發(fā)展,響應(yīng)速度快(納秒量級(jí))、分束效果好、 性能可調(diào)的分束器成為必然的需求,然而現(xiàn)有的分束器均不能夠滿足以上所有需求。傳統(tǒng)的光學(xué)分束器是利用折射_反射系統(tǒng)分束,存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn),無 法滿足系統(tǒng)小型化、集成化的要求。
公開日為2006年3月15日、公開號(hào)為CN1746421A的申請(qǐng)文本中,公開了一種光 折變高階衍射分束方法,該方法涉及一種全息光柵分束器的制作過程及利用該分束器進(jìn)行 分束的過程,但由于其材料特性及其機(jī)理,無法實(shí)現(xiàn)分束性能的實(shí)時(shí)控制,即不能實(shí)現(xiàn)分束 器的開關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。
公開日為2001年10月17日、公開號(hào)為CN1318158A的申請(qǐng)文本中,公開了一種電 控全息光開關(guān),它雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射光束的開關(guān)控制,但因其為單級(jí)衍射,因此只能夠?qū)⒁?束入射光束分為兩束;此外,它必須滿足特定的入射角才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射光束的分束。
公開日為2009年10月7日、公開號(hào)為CN101551542A的申請(qǐng)文本中,提供了一種 電控開關(guān)式全息聚合物分散液晶衍射分束器,雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射光束的開關(guān)控制,但存 在以下兩個(gè)缺點(diǎn)第一,由于其核心材料聚合物分散液晶的電場(chǎng)響應(yīng)速度(即開關(guān)時(shí)間)在 毫秒量級(jí),無法滿足高速光網(wǎng)路的需求;第二,其只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)兩個(gè)狀態(tài),而無法控制衍射 光的強(qiáng)度和級(jí)數(shù),器件的可操作性差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的分束器及分束方法中存在的不能實(shí)時(shí)控制分束開關(guān)、 只能將光束分為兩束以及電控分束響應(yīng)速度慢的問題,提供了一種高速電控全息晶體衍射 分束器及其制備方法和基于該分束器實(shí)現(xiàn)的分束方法。高速電控全息晶體衍射分束器,它由一個(gè)順電相電控全息晶體構(gòu)成,所述晶體有 兩個(gè)通光面,該兩個(gè)通光面均垂直于該晶體的[100]軸,其中一個(gè)通光面作為光輸入端,另 一個(gè)通光面作為光輸出端,所述晶體內(nèi)刻有光柵,該光柵的刻線間距滿足Raman-Nath衍射 條件,光柵的波矢方向平行于該晶體的
軸,且光柵面垂直于該晶體的[100]軸。高速電控全息晶體衍射分束器的制備方法,它的過程如下
步驟A1、在順電相電控全息晶體的W01]軸方向的兩端之間外加直流電場(chǎng),且所述直
流電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng);
步驟A2、令兩束相干光束入射到該晶體的光輸入端,并使兩束相干光束在晶體內(nèi)相交,兩束相干光束間的夾角d滿足Raman-Nath衍射條件;
步驟A3、順電相電控全息晶體內(nèi)形成一個(gè)光柵,且該光柵的刻線間距滿足Raman-Nath 衍射條件,光柵的波矢方向平行于該晶體的
軸;待光柵穩(wěn)定后,獲得的刻有該光柵的 順電相電控全息晶體,即高速電控全息晶體衍射分束器?;诟咚匐娍厝⒕w衍射分束器實(shí)現(xiàn)的分束方法,它的過程如下
步驟B1、將高速電控全息晶體衍射分束器放置于待分束的光路中,使待分束的光束入 射到所述分束器的光輸入端,此時(shí),該分束器的光輸出端輸出一束出射光束;
步驟B2、在所述分束器的W01]軸方向的兩端之間外加電場(chǎng),該電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為&,且
E。# 0,則所述分束器的光輸出端輸出N束光束,N為大于2的正整數(shù),且N的大小由&決定。本發(fā)明的積極效果
(1)利用本發(fā)明的高速電控全息晶體衍射分束器對(duì)光束進(jìn)行分束時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光束 的高速電控分束,其分束性能中對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間為晶體電光效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間,為納秒 量級(jí),遠(yuǎn)優(yōu)于液晶及機(jī)械分束器,可滿足光網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速光器件的要求;
(2)本發(fā)明的分束器在不加電壓時(shí)的衍射效率為0,入射光束沿原方向透射輸出;而在 加電壓時(shí),分束器能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)分束,輸出多束光束,且衍射光強(qiáng)度和分束級(jí)數(shù)都可由外電 壓控制。
圖1為兩相干光制備高速電控全息晶體衍射分束器的示意圖;圖2為基于相干光 產(chǎn)生裝置獲得的兩相干光制備高速電控全息晶體衍射分束器的示意圖;圖3是無外加電場(chǎng) 條件下,經(jīng)高速電控全息晶體衍射分束器的輸入光束透射輸出的示意圖;圖4是在外加電 場(chǎng)(場(chǎng)強(qiáng)不為零)作用下,高速電控全息晶體衍射分束器將輸入光束分為多束輸出的示意 圖;圖5至圖7是三種實(shí)驗(yàn)條件下分別獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的高速電控全息晶體衍射分束器,它由一個(gè)順電相 電控全息晶體構(gòu)成,所述晶體有兩個(gè)通光面,該兩個(gè)通光面均垂直于該晶體的[100]軸,其 中一個(gè)通光面作為光輸入端,另一個(gè)通光面作為光輸出端,所述晶體內(nèi)刻有光柵,該光柵的 刻線間距滿足Raman-Nath衍射條件,光柵的波矢方向平行于該晶體的
軸,且光柵面 垂直于該晶體的[100]軸。其中,所述Raman-Nath衍射條件,即Q值小于1,其中Q值的表達(dá)式為
Q=2ji入L/nA2。其中,入是入射光波長(zhǎng),n為折射率,L為光柵厚度,A為光柵間距。光柵衍射一般包括Bragg衍射和Raman-Nath衍射,通常用Q值來區(qū)分這兩種衍 射當(dāng)Q》1時(shí),出現(xiàn)Bragg衍射;當(dāng)Q<1時(shí),出現(xiàn)Raman-Nath衍射。Bragg衍射只能把入射 光分為兩束,而Raman-Nath衍射可將入射光分成多束(大于兩束)。在應(yīng)用中,由于該分束器中的順電相電控全息晶體的獨(dú)特電光性質(zhì),其內(nèi)部光柵 的衍射受??刂?,其中Es。為光折變空間電荷場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),&為外加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)。因光柵 穩(wěn)定時(shí),Esc不發(fā)生改變,而&可通過對(duì)外加電場(chǎng)的控制進(jìn)行調(diào)節(jié),因此,通過控制該外加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),即可實(shí)現(xiàn)控制光柵的衍射,進(jìn)而控制所述分束器的開關(guān)狀態(tài)。將該分束器放置于待分束的光路中,并使待分束的光束入射到所述分束器的光輸入端,然后在順電相電控全息晶體的W01]軸方向的兩端之間外加電場(chǎng),即電場(chǎng)的一個(gè)電 極與該晶體在W01]軸方向的一端相連,電場(chǎng)的另一個(gè)電極與該晶體在W01]軸方向的另 一端相連,所述電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為&,其中,外加電場(chǎng)可為直流電場(chǎng)或交流電場(chǎng)。當(dāng)無分束需要時(shí),令&=0,則此時(shí)入射光束直接通過分束器(即在分束器的光輸出端只輸出一束激光束),而不發(fā)生衍射(衍射效率為0),即此時(shí)分束器處于關(guān)狀態(tài);
當(dāng)有分束需要時(shí),令,則此時(shí)在外加直流或交流電壓的作用下,入射光會(huì)發(fā)生
Raman-Nath衍射,使分束器的光輸出端輸出N束激光束,其中包括一束沿入射光方向的出射光束和多級(jí)衍射光束,N為大于2的正整數(shù),且N的大小由&決定。衍射光的強(qiáng)度和分束 級(jí)數(shù),隨外加直流或交流電壓變化。由此,本實(shí)施方式的分束器,可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)分束輸 出光束的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。衍射光束之間的夾角近似相等,且在距光柵相等距離處的波前形 態(tài)相同。此外,本實(shí)施方式的分束器的分束性能中對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間等于晶體電光效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間,在納秒量級(jí),遠(yuǎn)優(yōu)于液晶及機(jī)械分束器,可滿足光網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速光器件的要求。所述順電相電控全息晶體的材料可采用能夠產(chǎn)生電控光折變效應(yīng)的任意順電相電光材料,包括有機(jī)材料或無機(jī)材料,它的尺寸根據(jù)具體產(chǎn)品要求而定,當(dāng)選定了它的材料 之后,其折射率即可確定,根據(jù)其他條件即可判斷順電相電控全息晶體是否可以產(chǎn)生電控 Raman-Nath 衍射。在本實(shí)施方式中,所述光柵的厚度小于0. 5mm,為薄光柵,光柵的厚度 方向?yàn)檠鼐w的[100]軸方向。具體地,若所述順電相電控全息晶體的尺寸為 4. 00mmX2. OOmmXO. 48mm,則光柵厚度應(yīng)小于0. 48mm,晶體在
軸方向的長(zhǎng)度為 4. 00mm,在W01]軸方向的長(zhǎng)度為2. 00mm,在[100]軸方向的長(zhǎng)度為0. 48mm。所述順電相 電控全息晶體采用摻雜錳的順電相鉭鈮酸鉀鋰晶體。所述順電相電控全息晶體在W01]軸方向的兩端分別鍍有金屬電極,本實(shí)施方式中所述金屬電極實(shí)際采用了銀電極,用以加載電場(chǎng)。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式的高速電控全息晶體衍射分束器的制備方法,它的過程如下
步驟A1、在順電相電控全息晶體的W01]軸方向的兩端之間外加直流電場(chǎng)(即直流電 場(chǎng)的一個(gè)電極與該晶體在W01]軸方向的一端相連,直流電場(chǎng)的另一個(gè)電極與該晶體在軸方向的另一端相連),且所述直流電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為Ew,EW#0 ;
步驟A2、令兩束相干光束入射到該晶體的光輸入端,并使兩束相干光束在晶體內(nèi)相交, 兩束相干光束間的夾角d滿足Raman-Nath衍射條件;
步驟A3、順電相電控全息晶體內(nèi)形成一個(gè)光柵,且該光柵的刻線間距滿足Raman-Nath 衍射條件,光柵的波矢方向平行于該晶體的
軸;待光柵穩(wěn)定后,獲得的刻有該光柵的 順電相電控全息晶體,即高速電控全息晶體衍射分束器。以上過程可參見圖1,其中所述直流電場(chǎng)的一個(gè)電極極板電壓為V=VW,且Vw不為零,另一個(gè)電極極板接地。
由于順電相電控全息晶體的獨(dú)特電光性質(zhì),其內(nèi)部折射率光柵的衍射受&乂艮???制,其中Es。為光折變空間電荷場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),光柵穩(wěn)定后Es。不再變化,E0為外加電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng), 其變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵衍射的控制。所以當(dāng)光柵穩(wěn)定后,電控全息晶體就變成了電控分束元 件。其中外加電場(chǎng)可為直流電場(chǎng)或交流電場(chǎng)。在本發(fā)明中為了得到盡量多的高階衍射光輸出,兩束相干光的夾角0應(yīng)滿足 Raman-Nath衍射條件,一般小于4度,光柵厚度小于0. 5mm。在本實(shí)施方式中,步驟A2中所述的兩束相干光束是基于一個(gè)相干光產(chǎn)生裝置獲 得的,所述相干光產(chǎn)生系統(tǒng)由激光器1、分束鏡2、第一反射鏡3和第二反射鏡4組成;
參見圖2,步驟A2中所述的令兩束相干光束入射到該晶體的光輸入端,并使兩束相干 光束在晶體內(nèi)相交的具體過程為
激光器1輸出一束激光束,該激光束入射到分束鏡2后分為反射光束和透射光束,反 射光束經(jīng)第一反射鏡3反射至順電相電控全息晶體內(nèi)的光輸入端,透射光束經(jīng)第二反射鏡 4反射至順電相電控全息晶體內(nèi)的光輸入端,然后反射光束和透射光束在該晶體內(nèi)相交干 涉。圖2中,直流電場(chǎng)的一個(gè)電極極板電壓為V=VW,且Vw不為零,另一個(gè)電極極板接地。 激光器1輸出的激光波長(zhǎng)可為532. 0納米。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式的基于高速電控全息晶體衍射分束器實(shí)現(xiàn)的分束方 法,它的過程如下
步驟B1、將高速電控全息晶體衍射分束器放置于待分束的光路中,使待分束的光束入 射到所述分束器的光輸入端,此時(shí),該分束器的光輸出端輸出一束出射光束;
步驟B2、在所述分束器的W01]軸方向的兩端之間外加電場(chǎng),該電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為&,且
E0 ^ 0 ,則所述分束器的光輸出端輸出N束光束,N為大于2的正整數(shù),且N的大小由&決
定;
其中,步驟B2中外加電場(chǎng)可為直流電場(chǎng)或交流電場(chǎng)。本實(shí)施方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的高速電控分束,其對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間為晶體電 光效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間,即在納秒量級(jí),遠(yuǎn)優(yōu)于液晶及機(jī)械分束器,可滿足光網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速光器件 的要求;且本實(shí)施方式的電控性能好,當(dāng)不加電壓時(shí)(即仏等于0時(shí)),入射光直接通過,不 被衍射分束,即分束器為關(guān)狀態(tài);當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)(即&不等于0時(shí)),入射光被衍射分束,即 分束器為開狀態(tài)。而且衍射光的強(qiáng)度和分束級(jí)數(shù),隨外加直流或交流電壓變化。應(yīng)用本發(fā)明可對(duì)攜帶信息的光束進(jìn)行分束,如圖像等,而且本發(fā)明具有較廣的應(yīng) 用范圍,可應(yīng)用于光學(xué)互聯(lián)、圖像處理、光計(jì)算等領(lǐng)域。下面提供一個(gè)具體實(shí)施例
在本實(shí)施方式的高速電控全息晶體衍射分束器的制備過程中,激光器1輸出的激光波 長(zhǎng)為532. 0納米,順電相電控全息晶體選用摻雜錳的順電相鉭鈮酸鉀鋰晶體,其中Mn的摩 爾濃度為0. 5%,晶體尺寸為4. 00 X 2. 00 X 0. 48mm3 (立方毫米),其中晶體在
軸方向的 長(zhǎng)度為4. 00mm,在W01]軸方向的長(zhǎng)度為2. 00mm,在[100]軸方向的長(zhǎng)度為0. 48mm ;兩束 相干光束的強(qiáng)度為12mW/cm2(毫瓦每平方厘米),夾角為1度,相干光的偏振方向在入射平 面內(nèi),且其偏振方向垂直于鉭鈮酸鉀鋰晶體的W01]軸方向,外電壓加在晶體W01]方向。 晶體被相干光束照射2分鐘后,光柵達(dá)到穩(wěn)定。
其中,所述“相干光的偏振方向在入射平面內(nèi),且其偏振方向垂直于鉭鈮酸鉀鋰晶 體的
軸方向,外電壓加在晶體
方向”這一條件是為了在鉭鈮酸鉀鋰晶體內(nèi)獲得 最佳的折射率光柵,從而達(dá)到Raman-Nath衍射的最佳狀態(tài)。制備完分束器后,將波長(zhǎng)為532. 0納米的激光束入射到該分束器上,當(dāng)不在分束 器上加電壓時(shí)(即電壓v=0),該激光束直接通過分束器,不被衍射分束,即分束器為關(guān)狀態(tài), 該過程的示意圖可參見圖3 ;當(dāng)在分束器上施加300V的直流電壓時(shí),在分束器的輸出端會(huì) 看到夾角大小相等的10個(gè)衍射光束出現(xiàn),即分束器為開狀態(tài),該過程的示意圖可參見圖4, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可參見圖5 ;當(dāng)在分束器上施加220V的直流電壓時(shí),在分束器的光輸出端會(huì)看到 夾角大小相等的6個(gè)衍射光束出現(xiàn),此時(shí),分束器也為開狀態(tài),該過程的示意圖同樣可參見 圖4,實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見圖6 ;對(duì)比圖5和圖6還可以發(fā)現(xiàn),兩種電壓條件下,輸出端光束的強(qiáng)度 也有差別。由此可見,通過改變外加電壓的強(qiáng)弱,可以控制輸出端光束的強(qiáng)度和數(shù)目。然后,將波長(zhǎng)為632. 8納米的激光束(取代波長(zhǎng)為532. 0納米的激光束)入射到該 分束器上,并在分束器上施加300V的直流電壓,此時(shí),將會(huì)在分束器的光輸出端看到夾角 大小相等的8個(gè)衍射信號(hào)光出現(xiàn),如圖7所示。
權(quán)利要求
高速電控全息晶體衍射分束器,它由一個(gè)順電相電控全息晶體構(gòu)成,所述晶體有兩個(gè)通光面,該兩個(gè)通光面均垂直于該晶體的[100]軸,其中一個(gè)通光面作為光輸入端,另一個(gè)通光面作為光輸出端,其特征在于所述晶體內(nèi)刻有光柵,該光柵的刻線間距滿足Raman-Nath衍射條件,光柵的波矢方向平行于該晶體的
軸,且光柵面垂直于該晶體的[100]軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電控全息晶體衍射分束器,其特征在于所述光柵的厚度 小于0. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高速電控全息晶體衍射分束器,其特征在于所述順電相 電控全息晶體的尺寸為4. 00mmX2. 00mmX0. 48mm,且其在WlO]軸方向的長(zhǎng)度為4. 00mm, 在W01]軸方向的長(zhǎng)度為2. 00mm,在[100]軸方向的長(zhǎng)度為0. 48mm,光柵的厚度小于 0. 48mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電控全息晶體衍射分束器,其特征在于所述順電相電控 全息晶體采用摻雜錳的順電相鉭鈮酸鉀鋰晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電控全息晶體衍射分束器,其特征在于所述順電相電控 全息晶體在W01]軸方向的兩端分別鍍有金屬電極。
6.高速電控全息晶體衍射分束器的制備方法,其特征在于它的過程如下步驟A1、在順電相電控全息晶體的W01]軸方向的兩端之間外加直流電場(chǎng),且所述直流電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng);步驟A2、令兩束相干光束入射到該晶體的光輸入端,并使兩束相干光束在晶體內(nèi)相交, 兩束相干光束間的夾角d滿足Raman-Nath衍射條件;步驟A3、順電相電控全息晶體內(nèi)形成一個(gè)光柵,且該光柵的刻線間距滿足Raman-Nath 衍射條件,光柵的波矢方向平行于該晶體的
軸;待光柵穩(wěn)定后,獲得的刻有該光柵的 順電相電控全息晶體,即高速電控全息晶體衍射分束器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速電控全息晶體衍射分束器的制備方法,其特征在于 步驟A2中所述的兩束相干光束是基于一個(gè)相干光產(chǎn)生裝置獲得的,所述相干光產(chǎn)生系統(tǒng)由激光器(1)、分束鏡(2)、第一反射鏡(3)和第二反射鏡(4)組成;步驟A2中所述的令兩束相干光束入射到該晶體的光輸入端,并使兩束相干光束在晶 體內(nèi)相交的具體過程為激光器(1)輸出一束激光束,該激光束入射到分束鏡(2)后分為反射光束和透射光束, 反射光束經(jīng)第一反射鏡(3)反射至順電相電控全息晶體內(nèi)的光輸入端,透射光束經(jīng)第二反 射鏡(4)反射至順電相電控全息晶體內(nèi)的光輸入端,然后反射光束和透射光束在該晶體內(nèi) 相交干涉。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速電控全息晶體衍射分束器的制備方法,其特征在于激光 器(1)輸出的激光波長(zhǎng)為532. 0納米。
9.基于高速電控全息晶體衍射分束器實(shí)現(xiàn)的分束方法,其特征在于它的過程如下 步驟B1、將高速電控全息晶體衍射分束器放置于待分束的光路中,使待分束的光束入射到所述分束器的光輸入端,此時(shí),該分束器的光輸出端輸出一束出射光束;步驟B2、在所述分束器的W01]軸方向的兩端之間外加電場(chǎng),該電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為仏,且E。# 0 ,則所述分束器的光輸出端輸出N束光束,N為大于2的正整數(shù),且N的大小由&決定。
全文摘要
高速電控全息晶體衍射分束器及其制備方法和基于該分束器實(shí)現(xiàn)的分束方法,涉及一種分束器及其制備方法和分束方法,解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能實(shí)時(shí)控制分束開關(guān)、只能將光束分為兩束以及分束響應(yīng)速度慢的問題。本發(fā)明的分束器由順電相電控全息晶體構(gòu)成,晶體內(nèi)刻有Raman-Nath光柵。分束器的制備過程為在晶體兩端加直流電場(chǎng),令兩束相干光入射到該晶體內(nèi)相交干涉,在晶體內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的Raman-Nath光柵。利用該分束器實(shí)現(xiàn)的分束方法,其過程如下將分束器置于光路中,使待分束光束通過分束器,當(dāng)需要分束時(shí),在分束器兩端加直流或交流電場(chǎng),即可實(shí)現(xiàn)分束。本發(fā)明可用于光學(xué)互聯(lián)、圖像處理、光計(jì)算等領(lǐng)域中,可實(shí)現(xiàn)高速電控分束。
文檔編號(hào)G02F1/03GK101799593SQ20101015424
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者周忠祥, 宮德維, 田 浩, 趙娜 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)