CN100504504C - 利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法 - Google Patents
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Abstract
利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，它涉及光折变效应与光学分束技术领域，它是为了解决现有的分束方法要么结构复杂、成本高、易损坏分束元件，要么加工工艺不成熟、缺乏对带有信息的光束进行分束的能力，要么分出的光束具有偏振性的问题。本发明的方法是：使两束具有相干性的光束相交后照射光折变材料，形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光折变效应制备分束元件，然后使分束元件产生Raman-Nath衍射即可实现分束，上述两光束的夹角需使这时发生的衍射为Raman-Nath衍射。本发明利用光折变材料的光折变效应实现了光分束，不仅可以对不带信息的光束进行分束，而且可以把不同波长的带有信息的入射光分束分成多束输出，方法简单、成本较低、应用灵活。
Description
技术领域
本发明涉及光折变效应与光学分束技术领域。
背景技术
光学分束设备是一种把输入光分成一维或二维阵列输出光束或光斑的光学器件，在光学互连、光计算、光盘存储、光电技术、图像处理及精密测量等现代科技的许多领域中广泛应用。传统的光学分束方法是利用折射—反射系统，经过多次折射和反射得到所需的光场分布的一种分束方法。这种方法的缺点在于分束系统结构复杂(例如，要想得到几十束光，则需要进行多次分光)、体积大、能量损耗大、均匀性差，当输入光功率很大，分束系统元件上的镀膜容易被烧伤而损坏等。
二元光学分束方法是一种纯位相衍射光学元件，它能够将一束激光转换成强度均匀的光束列阵，还具有多重成像、光互连、光耦合以及光束复合等功能。二元光学分束方法由于采用了计算机设计和超大规模集成电路制造工艺等新技术而格外引人注目。目前，人们提出了二元光学分束方法的各种结构与算法，如以求解非线性方程组的方法设计的Dammann光栅、以模拟退火等非线性优化算法设计的相息光栅、基于Talbot自成像效应的Talbot分束光栅以及基于菲涅尔波带片近轴衍射理论的位相型菲涅尔透镜列阵等。根据实际应用中的分束要求，可以选择各种二元光学分束的设计方法。在计算机技术迅速发展的今天，设计不同用途的光学分束器已不成困难，关键在于二元光学分束元件的工艺制作，这种二元光学分束方法在实际应用中受到加工工艺还不成熟的限制，同时还存在适用波长单一、不能用于对携带信息的光束进行分束、成本高等缺点的限制。
当透光介质倾斜使用时，由于电场和磁场在每一个界面上的切向分量连续，因此p分量和s分量的有效折射率将不同，这样不可避免地要产生偏振分离，根据这个原理可以制造各种偏振分束棱镜。偏振分束棱镜既不同于基于双折射原理的尼科耳棱镜，它的o光和e光具有一固定的出射角度，又不同于基于选择性吸收的偏振片，它具有低损耗和光学系统设计灵活性的特点，因而偏振分束棱镜被广泛应用于电视投影系统、光纤通讯系统的光隔离器和光环形器、硅液晶光阀和高压电力系统中的光纤电压传感器等系统中。但这种偏振分束方法一次只能把入射光分为两束，且具有偏振性，不能实现多路输出，并要求斜入射，同时带宽和角度上有诸多的限制。
发明内容
为了解决现有的分束方法要么结构复杂、成本高、易损坏分束元件，要么加工工艺不成熟、缺乏对带有信息的光束进行分束的能力，要么分出的光束具有偏振性的问题，进而提供了一种利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，它主要是解决光学信息处理过程中遇到的分束问题，使得分束元件的体积大大减小、成本也大大降低，分束数量得以提高，并且使分束元件适用的波长范围增加，在把分束元件装入需要的设备时安装过程简单。
本发明的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法按以下步骤进行：一、制备分束元件：使两束具有相干性的光束相交并输入到光折变体的光输入端，于是在光折变体内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光折变效应在光折变体中记录下体全息图，等待光栅稳定后光折变体就变成了分束元件，所述两束具有相干性的光束在相交时的夹角应使这时发生的衍射为Raman-Nath衍射(拉曼-纳斯衍射)；二、分束过程：将步骤一制备的分束元件放在需要分束的光路中，使需要分束的携带信息的光束输入到分束元件的光输入端，利用Raman-Nath衍射在分束元件的光输出端即可获得多束出射光束。在本发明中，所述两束具有相干性的光束的光程差小于所述光束的相干长度，上述相干长度可以通过干涉法测量得到，这样做的目的是为了使上述两束光束具有相干性。
在本发明中，为了得到尽量多的高阶衍射光栅，相交的两束光的夹角要尽量小，通常是几度之内；当夹角过大时，相交的两束相干光在光折变体内产生的折射率光栅发生的是Bragg衍射(布拉格衍射)，而这种Bragg衍射只能把入射光分为两束，是不能用于多束出射光分束的。通常通过计算公式Q＝2πλL/nΛ2来确定在实施时选择的参数是否满足产生Raman-Nath衍射的条件：当Q<1时，是Raman-Nath衍射；当Q>1时，是Bragg衍射；其中λ—入射的相交光束的波长，L—光折变体的厚度，n—光折变体的折射率，Λ—光栅间距。
用本发明所制成的分束元件在用于分束时，从分束元件射出夹角近似相等的多束出射光束，而各出射光束在距离出射处相等的位置上具有同样的波前形态。本发明把光折变效应应用于分束中设计了一种新的分束元件，这种分束元件的制备方法相对简单、成本较低、结构简单。与二元光学分束方法和利用偏振分束棱镜的分束方法相比，本发明利用光折变材料的光折变效应实现了光分束，不仅可以对不带信息的光束进行分束，而且可以把不同波长的带有信息的入射光分束成多束输出，另外本发明还另有一个优点，即在分束时对分束条件要求宽松：1)对于需要分束的光束照射分束元件的入射角并没有严格的要求，2)分束元件可适用的谱带宽度较宽。制备分束元件时使用的光波波长可以与需要分束的光波波长不一致，因此可以对一定波长范围内的光波进行分束，应用上很灵活。
附图说明
图1为本发明分束方法的步骤一制备分束元件10的光传输流程图，图2为具体实施方式六的光传输流程图，图3是具体实施方式七的实验结果图，图4是具体实施方式八的实验结果图，图5是具体实施方式十的实验结果图，图6是具体实施方式十一的实验结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，在本具体实施方式中，利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法按以下步骤进行：一、制备分束元件10：使两束具有相干性的光束相交并输入到光折变体5的光输入端，于是在光折变体5内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光折变效应在光折变体5中记录下体全息图，等待光栅稳定后光折变体5就变成了分束元件10，所述两束具有相干性的光束在相交时的夹角θ应使这时发生的衍射为Raman-Nath衍射(拉曼-纳斯衍射)；二、分束过程：将步骤一制备的分束元件10放在需要分束的光路中，使需要分束的光束输入到分束元件10的光输入端，利用Raman-Nath衍射在分束元件10的光输出端即可获得多束出射光束。在本具体实施方式中，步骤一中所述两束具有相干性的光束的光程差小于所述光束的相干长度。
具体实施方式二：结合图1说明本具体实施方式，在具体实施方式一中，步骤一中所述光折变体5选用能够产生光折变效应的任意材料，它包括有机材料或无机材料，它的尺寸根据具体产品要求而定。当选定了光折变体5的材料后，光折变体的折射率n即可确定，然后根据其他条件即可判断光折变体5是否可以产生Raman-Nath衍射。
具体实施方式三：结合图1说明本具体实施方式，在具体实施方式一中，步骤二中所述需要分束的光束的波长决定于步骤一中所述的两束具有相干性的光束的波长。两束具有相干性的光束的波长等于所述需要分束的光束的波长、或在所述需要分束的光束的波长附近的一定范围内。
具体实施方式四：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的装置由第一激光器1、半透半反镜2、第一反射镜3和第二反射镜4组成；步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的方法是：从第一激光器1中输出的光束输入到半透半反镜2的光输入端，半透半反镜2将输入的光束分为透射光和反射光，所述反射光输入到第一反射镜3的光输入端并利用第一反射镜3使所述反射光改变方向，所述透射光输入到第二反射镜4的光输入端并利用第二反射镜4使所述透射光改变方向，使从第一反射镜3输出的改变了方向的反射光和从第二反射镜4输出的改变了方向的透射光相交在一起，即得到了两束相交的具有相干性的光束，所述反射光与透射光的光程差小于第一激光器1输出的激光的相干长度；所述第一激光器1能够产生具有光折变效应的任意波长的激光，所述激光的光强由光折变体5的材料决定。其他步骤与具体实施方式一相同。高强度的光能更快的产生折射率光栅。本具体实施方式产生两束可以相交的相干光束的方法简单，易操作，光学器件用量少。
具体实施方式五：结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中所述需要分束的光束是直接从激光器输出的激光。其他步骤与具体实施方式一相同。利用本发明的方法制备的分束元件10可以直接对不含信息的光束进行分束，用法简单。
具体实施方式六：结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式四的不同点是：步骤二中所述需要分束的光束的产生装置由第二激光器11、空间光滤波器6、第一傅里叶透镜7、空间光调制器8、第二傅里叶透镜9构成，空间光调制器8位于第一傅里叶透镜7和第二傅里叶透镜9之间，空间光调制器8到第二傅里叶透镜9的距离是第二傅里叶透镜9的焦距；所述需要分束的光束的产生方法是：从第二激光器11输出的光束通过空间光滤波器6输入到第一傅里叶透镜7的光输入端并经过第一傅里叶透镜7传输，在第一傅里叶透镜7的光输出端获得平行光束，所述平行光束经过空间光调制器8传输后输入到第二傅里叶透镜9的光输入端，所述平行光束在经过空间光调制器8传输的过程中被加载上信息，所述被加载上信息的平行光经过第二傅里叶透镜9传输后在第二傅里叶透镜9的光输出端完成傅里叶变换，所述的从第二傅里叶透镜9的光输出端输出完成傅里叶变换的光束即是需要分束的光束。其他步骤与具体实施方式四相同。在本具体实施方式中，输入光在分束元件10内形成傅里叶变换频谱，由于分束元件10的分束作用，衍射出频谱分布相同的傅里叶变换频谱，但每个傅里叶变换频谱的方向不同，从而把入射光分成多束。在本具体实施方式中，分束元件10通常放在第二傅里叶透镜9的傅里叶焦平面附近，这样可以减小分束设备的体积。本具体实施方式只是提供了一种产生带有信息的光束的方法和装置，如果遇到其他产生带有信息的光束的方法和装置只需将本发明制备的分束元件10放在该装置的输出端即可实现分束。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式六的不同点是：在步骤一中，所述第一激光器1采用Ar+激光器，它输出光的波长为488.0纳米，所述光折变体5选用掺杂锌和铁的铌酸锂晶体，其中锌的摩尔浓度为3％，铁的重量浓度为0.03％，晶体尺寸为20.60×15.03×3.02mm3(立方毫米)，所述反射光的光强为10.22mW·cm-2(毫瓦每平方厘米)，所述透射光的光强为10.16mW·cm-2，相交的反射光和透射光的夹角θ为1.56°(度)，相交的反射光和透射光的偏振方向和铌酸锂晶体的C轴方向在入射平面内，所述光折变体5被相交光束照射五分钟后光栅达到稳定；在步骤二中，所述第二激光器11采用Ar+激光器，它输出光的波长为488.0纳米，所述第二傅里叶透镜9的焦距为505毫米，光折变高阶衍射分束元件10放置在第二傅里叶透镜9的傅里叶焦平面前5毫米处。在光折变高阶衍射分束元件10的输出端会看到夹角大小相等的5个衍射信号光出现，并且在距离出射处相同的距离上各衍射光的频谱分布情况是相同的，如图3所示。其他步骤与具体实施方式六相同。在本具体实施方式中，“相交的反射光和透射光的偏振方向和铌酸锂晶体的C轴方向在入射平面内”这一条件是为了在铌酸锂晶体内获得最佳的折射率光栅，从而达到Raman-Nath衍射的最佳状态，照射光折变体5的入射光的最佳入射方向是由光折变体5的材料性质决定的。
具体实施方式八：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式七的不同点是：在步骤二中，所述第二激光器11输出光的波长为632.8纳米。其他步骤与具体实施方式七相同。在光折变高阶衍射分束元件10的输出端会看到夹角大小相等的4个衍射信号光出现，并且在距离出射处相同的距离上各衍射光的频谱分布情况是相同的，如图4所示。
具体实施方式九：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式七的不同点是：在步骤二中，所述第二激光器11输出光的波长为532.0纳米。其他步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式七的不同点是：在步骤一中，所述光折变体5选用掺杂镨和铁的铌酸锂晶体，其中镨的摩尔浓度为1％，铁的重量浓度为0.03％，晶体尺寸为1.20×10.01×0.52mm3，所述光折变体5被相交光束照射十分钟后光栅达到稳定。其他步骤与具体实施方式七相同。在光折变高阶衍射分束元件10的输出端会看到夹角大小相等的6个衍射信号光出现，并且在距离出射处相同的距离上各衍射光的频谱分布情况是相同的，如图5所示。
具体实施方式十一：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式十的不同点是：在步骤二中，所述第二激光器11采用He-Ne(氦-氖)激光器，它输出光的波长为632.8纳米。其他步骤与具体实施方式十相同。在光折变高阶衍射分束元件10的输出端会看到夹角大小相等的6个衍射信号光出现，并且在距离出射处相同的距离上各衍射光的频谱分布情况是相同的，如图6所示。
具体实施方式十二：结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式七的不同点是：在步骤一中，所述光折变体5选用PQ-PMMA(菲醌-聚甲基丙烯酸甲酯)有机光折变材料。其他步骤与具体实施方式七相同。
除上述具体实施方式外，利用光折变效应在光折变材料中形成折射率光栅来达到分束目的技术方案均在本说明书的保护范围内。
Claims (8)
1、利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于它按以下步骤进行：一、制备分束元件(10)：使两束具有相干性的光束相交并输入到光折变体(5)的光输入端，于是在光折变体(5)内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光折变效应在光折变体(5)中记录下体全息图，等待光栅稳定后光折变体(5)就变成了分束元件(10)，所述两束具有相干性的光束在相交时的夹角θ应使这时发生的衍射为Raman-Nath衍射；二、分束过程：将步骤一制备的分束元件(10)放在需要分束的携带信息的光路中，使需要分束的光束输入到分束元件(10)的光输入端，利用Raman-Nath衍射在分束元件(10)的光输出端即可获得多束出射光束。
2、根据权利要求1所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于步骤一中所述两束具有相干性的光束的光程差小于所述需要分束的携带信息的光束的相干长度。
3、根据权利要求1所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于步骤一中所述光折变体(5)选用能够产生光折变效应的任意材料，它包括有机材料或无机材料，它的尺寸根据具体产品要求而定。
4、根据权利要求1所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于步骤二中所述需要分束的光束的波长决定于步骤一中所述的两束具有相干性的光束的波长。
5、根据权利要求1所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的装置由第一激光器(1)、半透半反镜(2)、第一反射镜(3)和第二反射镜(4)组成；步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的方法是：从第一激光器(1)中输出的光束输入到半透半反镜(2)的光输入端，半透半反镜(2)将输入的光束分为透射光和反射光，所述反射光输入到第一反射镜(3)的光输入端并利用第一反射镜(3)使所述反射光改变方向，所述透射光输入到第二反射镜(4)的光输入端并利用第二反射镜(4)使所述透射光改变方向，使从第一反射镜(3)输出的改变了方向的反射光和从第二反射镜(4)输出的改变了方向的透射光相交在一起，即得到了两束相交的具有相干性的光束，所述反射光与透射光的光程差小于第一激光器(1)输出的激光的相干长度；所述第一激光器(1)能够产生具有光折变效应的任意波长的激光，所述激光的光强由光折变体(5)的材料决定。
6、根据权利要求5所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于步骤二中所述需要分束的光束的产生装置由第二激光器(11)、空间光滤波器(6)、第一傅里叶透镜(7)、空间光调制器(8)、第二傅里叶透镜(9)构成，空间光调制器(8)位于第一傅里叶透镜(7)和第二傅里叶透镜(9)之间，空间光调制器(8)到第二傅里叶透镜(9)的距离是第二傅里叶透镜(9)的焦距；所述需要分束的光束的产生方法是：从第二激光器(11)输出的光束通过空间光滤波器(6)输入到第一傅里叶透镜(7)的光输入端并经过第一傅里叶透镜(7)传输，在第一傅里叶透镜(7)的光输出端获得平行光束，所述平行光束经过空间光调制器(8)传输后输入到第二傅里叶透镜(9)的光输入端，所述平行光束在经过空间光调制器(8)传输的过程中被加载上信息，所述被加载上信息的平行光经过第二傅里叶透镜(9)传输后在第二傅里叶透镜(9)的光输出端完成傅里叶变换，所述的从第二傅里叶透镜(9)的光输出端输出完成傅里叶变换的光束即是需要分束的光束。
7、根据权利要求1或3所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于在步骤一中，所述光折变体(5)选用掺杂镨和铁的铌酸锂晶体，其中镨的摩尔浓度为1％，铁的重量浓度为0.03％；或菲醌-聚甲基丙烯酸甲酯有机光折变材料。
8、根据权利要求7所述的利用光折变高阶衍射对携带信息的光束进行分束的方法，其特征在于在步骤二中，所述第二激光器(11)采用He-Ne激光器，它输出光的波长为632.8纳米。
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| 《Pr:Fe:LiNbO3晶体光折变性能的研究》. 赵业权，王锐，徐悟生，赵朝中.《高技术通讯》，第12期. 2000 |
| 《Pr:Fe:LiNbO3晶体光折变性能的研究》. 赵业权，王锐，徐悟生，赵朝中.《高技术通讯》，第12期. 2000 * |
| 《掺杂LiNbO3光折变晶体的高阶衍射效应》. 孙万钧，周忠祥，张景文，许克彬.哈尔滨工业大学学报，第27卷第4期. 1995 |
| 《掺杂LiNbO3光折变晶体的高阶衍射效应》. 孙万钧，周忠祥，张景文，许克彬.哈尔滨工业大学学报，第27卷第4期. 1995 * |
| 体光折变栅的高阶衍射. 郭儒，潘士宏.南开大学学报，第29卷第3期. 1996 |
| 体光折变栅的高阶衍射. 郭儒，潘士宏.南开大学学报，第29卷第3期. 1996 * |
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