專利名稱：一種基于古斯?jié)h欣效應(yīng)的光開關(guān)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及一種基于古斯?jié)h欣效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光開關(guān)，通過改變?nèi)肷涔獾南辔蛔兓?改變反射光斑的古斯?jié)h欣位移大小，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的選通，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)光束在界面發(fā)生反射時(shí)，當(dāng)界面的反射率函數(shù)(包括強(qiáng)度和相位)不為常數(shù)時(shí)， 將可能發(fā)生一系列非鏡面反射現(xiàn)象。例如光束中心在反射界面的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)之間可以存在一定的側(cè)向位移。這一現(xiàn)象首先由Goos和Hanchen通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，因而被稱為古斯?jié)h欣現(xiàn)象(Goos Hanchen effect)。作為非鏡面反射的典型效應(yīng)，古斯?jié)h欣現(xiàn)象自被發(fā)現(xiàn)以來一度成為研究熱點(diǎn)，在幾十年間得到了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)古斯?jié)h欣現(xiàn)象的產(chǎn)生是由反射率函數(shù)中的角度相關(guān)的相位項(xiàng)的跳變引起的。對(duì)于接近準(zhǔn)直的光束而言，古斯?jié)h欣位移的大小由反射時(shí)光束經(jīng)歷的角度相關(guān)的相位跳變對(duì)于入射光波數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)決定。通常情況下，這種相位跳變不大，因此古斯?jié)h欣位移的大小一般僅在波長(zhǎng)量級(jí)，往往可被忽略。幾十年來的研究發(fā)現(xiàn)可以通過材料的選擇，如包括吸收材料、左手人工材料、金屬薄膜、二維光子晶體等增強(qiáng)古斯?jié)h欣現(xiàn)象。以往研究也發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)材料界面上發(fā)生全反射時(shí)，在全反射角附近，即反射強(qiáng)度發(fā)生顯著變化時(shí)，由于反射率函數(shù)的相位項(xiàng)會(huì)發(fā)生明顯改變，從而可以產(chǎn)生古斯?jié)h欣現(xiàn)象。此外，一些能產(chǎn)生能產(chǎn)生倏逝波的結(jié)構(gòu)中的古斯?jié)h欣現(xiàn)象也被廣泛研究，如表面等離子共振結(jié)構(gòu)、金屬包覆的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、雙棱鏡結(jié)構(gòu)等。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于古斯?jié)h欣效應(yīng)的光開關(guān)器件。本發(fā)明提供了一種光開關(guān)器件，包括輸入光學(xué)元件、偏振控制元件、光學(xué)耦合元件、具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件、控制系統(tǒng)、以及輸出光學(xué)元件。其中，輸入光學(xué)元件將輸入光以固定的角度通過光學(xué)耦合元件入射到具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件上，入射光的偏振態(tài)由偏振控制元件決定，并與具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生較大古斯?jié)h欣效應(yīng)所需的偏振態(tài)一致，入射光通過光學(xué)耦合元件進(jìn)入所述多層膜結(jié)構(gòu)元件，并在多層膜結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行一次或多次反射，然后經(jīng)輸出光學(xué)元件輸出。對(duì)于入射光束的波長(zhǎng)、偏振態(tài)和角度，控制系統(tǒng)通過改變與多層膜結(jié)構(gòu)中包覆層及各層的折射率或厚度，進(jìn)而調(diào)整反射時(shí)的相位差變化，從而改變多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生的古斯?jié)h欣位移的大小。在控制系統(tǒng)的作用下，能夠產(chǎn)生的最大和最小的古斯?jié)h欣位移的差使得兩種情況下的反射光束能明顯分開。輸出光學(xué)元件固定放置在產(chǎn)生最大古斯?jié)h欣位移的反射光的路徑，其具有有限的通光區(qū)域，該通光區(qū)域的大小和位置允許具有最大古斯?jié)h欣效應(yīng)時(shí)的光束通過并輸出，并不允許具有最小古斯?jié)h欣效應(yīng)時(shí)的光束通過和輸出。在上述光開關(guān)器件中，輸入光學(xué)元件的作用是獲得準(zhǔn)直性良好的、能滿足產(chǎn)生較大古斯?jié)h欣位移的入射光束。對(duì)于光纖激光器，其可以由光纖耦合器和準(zhǔn)直透鏡組成，或直接由光纖準(zhǔn)直器組成。對(duì)于自由空間輸出的激光器輸出以及已耦合入自由空間的激光器輸出，所述輸入光學(xué)元件還可以包括透鏡組和\或空間濾波器，其作用是對(duì)輸出光束進(jìn)行整形，以獲得滿足要求的入射光束。在上述光開關(guān)器件中，偏振控制元件包括起偏器，可采用偏振片、偏振分光棱鏡或格蘭棱鏡實(shí)現(xiàn)，其作用是提供線偏振光。所述偏振控制元件還可以包括放置在所述起偏器之前的偏振控制器和\或波片組用以對(duì)起偏器后的線偏振光進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。所述偏振控制元件還可以包括放置在起偏器之后的二分之一波片或波片組，用于對(duì)起偏器后的線偏振態(tài)進(jìn)行改變，如將二分 之一波片旋轉(zhuǎn)45度，可將P偏振光調(diào)成S偏振光或相反。在上述光開關(guān)器件中，光學(xué)耦合元件是可以將上述入射偏振光耦合入多層膜結(jié)構(gòu)的裝置，可以是棱鏡、光柵等，或棱鏡/光柵與反射鏡組的組合。在上述光開關(guān)器件中，多層膜結(jié)構(gòu)元件的作用是可通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)其包覆層或其中某層結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生較大且可以改變的古斯?jié)h欣位移。其能夠產(chǎn)生的最大和最小的古斯?jié)h欣位移的差能使相應(yīng)反射光束明顯區(qū)分開來，以大于或等于入射光束腰斑直徑的1/4的古斯?jié)h欣位移為宜。該多層膜結(jié)構(gòu)可以由兩種或以上具有不同折射率的全介質(zhì)材料層交替形成；也可以由透明電介質(zhì)、金屬、吸收材料、左手人工材料等中的一種或多種組成。在一個(gè)示例中，多層膜結(jié)構(gòu)元件包括透明電介質(zhì)基底、多層介質(zhì)材料層、介質(zhì)緩沖層和包覆層，其中多層介質(zhì)材料層由兩種以上具有不同折射率的介質(zhì)材料層交替形成；多層膜結(jié)構(gòu)中各層折射率均大于包覆層的折射率；對(duì)于入射光束的工作波長(zhǎng)，該多層膜結(jié)構(gòu)在角度區(qū)間[α，β]內(nèi)具有相位變化，該多層膜結(jié)構(gòu)在與介質(zhì)緩沖層相鄰的包覆層和介質(zhì)緩沖層的交界面處發(fā)生全反射的全反射臨界角為Y，Y < β ；該光開關(guān)器件的工作角度大于Y。在上述光開關(guān)器件中，控制系統(tǒng)的作用是改變反射光的相位變化，以獲得不同的古斯?jié)h欣位移大小。控制系統(tǒng)可通過改變多層膜結(jié)構(gòu)中的包覆層材料實(shí)現(xiàn)對(duì)包覆層折射率的控制；也可以利用熱光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、電光效應(yīng)、光克爾效應(yīng)或彈光效應(yīng)等， 通過改變溫度、磁場(chǎng)、聲波場(chǎng)、電場(chǎng)、光強(qiáng)或應(yīng)力等的大小，對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)中包覆層及各層的折射率或厚度進(jìn)行控制；從而改變多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生的古斯?jié)h欣位移的大小。在上述光開關(guān)器件中，輸出光學(xué)元件由透鏡、光纖組成，將光束耦合入光纖并輸出，其通光區(qū)域由光纖及透鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定；在透鏡之前也可放置光闌或刀片，其通光區(qū)域由光闌或刀片的位置和光纖及透鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，且在其固定的位置上無法將古斯?jié)h欣位移最小時(shí)的光束耦合進(jìn)入光纖。輸出光學(xué)元件也可由刀片或光闌組成，實(shí)現(xiàn)自由空間輸出，其通光區(qū)域由光闌或刀片的位置決定，遮擋古斯?jié)h欣位移最小時(shí)的光束?；诒景l(fā)明提出的光開關(guān)器件可以通過微小的包覆層折射率變化或薄膜厚度變化，方便地實(shí)現(xiàn)開關(guān)選通，并可實(shí)現(xiàn)較高的消光比以及較低損耗，便于實(shí)現(xiàn)集成化、小型化和便攜化。


下面結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖1是光開關(guān)器件結(jié)構(gòu)的示意圖2是實(shí)例1中所述光開關(guān)器件所使用的多層膜結(jié)構(gòu)；圖3是實(shí)例1中在固定工作角度下，包覆層為空氣和水時(shí)，用C⑶獲得的反射光束形狀；圖4是實(shí)例1中，采用控制系統(tǒng)在微流槽中通入空氣和水時(shí)，實(shí)現(xiàn)的開關(guān)切換圖；圖5是實(shí)例1中，使用NaCl溶液替代空氣作為包覆層，該光開關(guān)的“開” “關(guān)” 狀態(tài)測(cè)量；圖6是實(shí)例1中，使光開關(guān)中實(shí)現(xiàn)在多層膜結(jié)構(gòu)表面兩次反射的系統(tǒng)裝置；圖7是實(shí)例2中的多層膜結(jié)構(gòu)下，計(jì)算出的當(dāng)包覆層分別為空氣和水時(shí)的反射光束強(qiáng)度分布曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)例1在本發(fā)明提供的能產(chǎn)生古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件中，該元件中的多層介質(zhì)材料層是具有一定反射率并同時(shí)具有較大反射相位變化的結(jié)構(gòu)，如將其近似等效為一個(gè)反射面，其反射系數(shù)為^，大角度入射的入射光將在該反射面與發(fā)生全反射的界面之間產(chǎn)生多次反射與折射，則該光學(xué)相位器件的反射率Γ可近似描述為
權(quán)利要求
1.一種光開關(guān)器件，其特征在于，包括輸入光學(xué)元件、偏振控制元件、光學(xué)耦合元件、具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件、控制系統(tǒng)、以及輸出光學(xué)元件；輸入光學(xué)元件將輸入光以固定的角度通過光學(xué)耦合元件入射到具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件上，入射光的偏振態(tài)由偏振控制元件決定并與具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生古斯?jié)h欣效應(yīng)所需的偏振態(tài)一致，入射光通過光學(xué)耦合元件進(jìn)入所述多層膜結(jié)構(gòu)元件，并在其表面以相同角度進(jìn)行一次或多次反射，然后經(jīng)輸出光學(xué)元件輸出；對(duì)于入射光束的波長(zhǎng)、偏振態(tài)和角度，控制系統(tǒng)通過改變與多層膜結(jié)構(gòu)中包覆層及各層的折射率或厚度， 改變多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生的古斯?jié)h欣位移的大小，控制系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的最大和最小的古斯?jié)h欣位移的差不小于入射光束腰斑直徑的1/4 ；輸出光學(xué)元件固定放置在產(chǎn)生最大古斯?jié)h欣位移時(shí)的反射光的路徑中，其具有有限的通光區(qū)域，該通光區(qū)域的大小和位置允許具有最大古斯?jié)h欣效應(yīng)時(shí)的光束通過并輸出，而不允許具有最小古斯?jié)h欣效應(yīng)時(shí)的光束通過和輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，多層膜結(jié)構(gòu)包括透明電介質(zhì)基底、多層介質(zhì)材料層、介質(zhì)緩沖層和包覆層，其中多層介質(zhì)材料層由兩種以上具有不同折射率的介質(zhì)材料層交替形成；多層膜結(jié)構(gòu)中各層折射率均大于包覆層的折射率；對(duì)于入射光束的工作波長(zhǎng)，該多層膜結(jié)構(gòu)在角度區(qū)間[α，β]內(nèi)具有相位變化，該多層膜結(jié)構(gòu)在與介質(zhì)緩沖層相鄰的包覆層和介質(zhì)緩沖層的交界面處發(fā)生全反射的全反射臨界角為Y，Y < β ；該光開關(guān)器件的工作角度大于Y。
3.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，多層膜結(jié)構(gòu)中的各層材料可以是透明電介質(zhì)、金屬、吸收材料、左手人工材料中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，所述控制系統(tǒng)通過改變多層膜結(jié)構(gòu)中的包覆層材料組分實(shí)現(xiàn)對(duì)包覆層折射率的控制；或利用熱光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、 電光效應(yīng)、光克爾效應(yīng)或彈光效應(yīng)，通過施加溫度、磁場(chǎng)、聲波場(chǎng)、電場(chǎng)、光強(qiáng)或應(yīng)力，對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)中包覆層及各層的折射率或厚度進(jìn)行控制；從而改變多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生的古斯?jié)h欣位移的大小。
5.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，所述輸出光學(xué)元件由透鏡、光纖組成，將光束耦合入光纖并輸出，其通光區(qū)域由光纖及透鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，且在其固定的位置上無法將古斯?jié)h欣位移最小時(shí)的光束耦合進(jìn)入光纖；或由光闌或刀片、透鏡和光纖組成， 將光束耦合入光纖并輸出，其通光區(qū)域由光闌或刀片的位置和光纖及透鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，且在其固定的位置上無法將古斯?jié)h欣位移最小時(shí)的光束耦合進(jìn)入光纖；或由刀片或光闌組成，實(shí)現(xiàn)自由空間輸出，其通光區(qū)域由光闌或刀片的位置決定，遮擋古斯?jié)h欣位移最小時(shí)的光束。
6.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，所述光學(xué)耦合元件可以但不限于棱鏡和光柵；或棱鏡/光柵與反射鏡組的組合。
7.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，所述偏振控制元件包括起偏器，用偏振片、偏振分光棱鏡或格蘭棱鏡實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求1和8所述的光開關(guān)器件，其特征在于，所述偏振控制元件還可以包括放置在所述起偏器之前的偏振控制器和/或波片組用以對(duì)起偏器后的線偏振光功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；還可以包括放置在起偏器之后的波片組，用于對(duì)起偏器后的線偏振態(tài)進(jìn)行改變。
9.如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)器件，其特征在于，所述輸入光學(xué)元件包括透鏡組、反射鏡組和/或空間濾波器，其作用是對(duì)輸出光束進(jìn)行整形，以獲得準(zhǔn)直性良好的光束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于古斯?jié)h欣效應(yīng)的光開關(guān)器件。該光開關(guān)器件包括輸入光學(xué)元件、偏振控制元件、光學(xué)耦合元件、具有可變的古斯?jié)h欣效應(yīng)的多層膜結(jié)構(gòu)元件、控制系統(tǒng)、以及輸出光學(xué)元件。對(duì)于入射光束的波長(zhǎng)、偏振態(tài)和角度，控制系統(tǒng)通過改變與多層膜結(jié)構(gòu)中包覆層及各層的折射率或厚度，改變多層膜結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生的古斯?jié)h欣位移的大小，入射光在多層膜結(jié)構(gòu)元件的表面以相同角度進(jìn)行一次或多次反射，產(chǎn)生明顯的古斯?jié)h欣位移使得反射光束與無古斯?jié)h欣位移時(shí)的反射光束能明顯區(qū)分。具有有限的通光區(qū)域的輸出光學(xué)元件，其通光區(qū)域的大小和位置允許具有最大古斯?jié)h欣效應(yīng)時(shí)的光束通過并輸出，而不允許具有最小古斯?jié)h欣效應(yīng)時(shí)的光束通過和輸出。
文檔編號(hào)G02F1/03GK102331631SQ201110297860
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者萬育航, 孔維敬, 鄭錚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)