CN101510015A - 叠层型电光空间相位调制器 - Google Patents

Abstract

一种叠层型电光空间相位调制器，特点在于其结构是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面L×K镀金属电极的电光材料平板沿厚度方向叠合而成，奇数层电极利用导线相连为一个电极，偶数层电极利用导线相连为另一个电极。偶数层电极也可以根据需要，分别连接阶梯式电压的驱动器。本发明降低空间相位调制器的工作电压，减少了光学元件和功率损耗，提高有效通光孔径比，结构形式多样，可实现光波多种空间相位调制和光波波面的变换。

Description

叠层型电光空间相位调制器

技术领域

本发明是一种叠层型电光空间相位调制器，主要用于光波相位的空间调制和光波波面的变换。

背景技术

激光束空间操控技术(Optical Beam Steering)在激光应用中是一种重要的功能，在激光精密瞄准跟踪、激光制导、激光雷达、侦察定位、激光自由空间通信和多种光电对抗技术中，都有迫切的需求。目前，采用机械运动光学元部件的装置已经得到实际使用。其主要缺点是扫描速度较低，结构比较复杂庞大，不能满足装备进一步发展的需要。为此，采用相位调制阵列调整光束波面的光学相控阵技术(Optical Phased Arrays，OPA)受到各国的广泛关注，也受到我国科技界和军工部门的高度重视。

相控阵技术的关键元件是空间相位调制器阵列。其作用是产生可以编程控制的、随空间位置变化的、时间上可以调制的相位分布。根据现有材料特性，空间相位调制器阵列主要采用电光材料或液晶材料，利用其折射率电控调制特性，实现波面的阶梯形变换，在远场空间通过多光束干涉实现光束的干涉和偏转。其总体的物理效果是光束波面的偏转。

基于实用材料的性能，现有相控阵器件主要有以下几种。在先技术之一(参见J.Thomas et al，＂Programmable diffractive optical element using amulti-channel lanthanum-modified lead zirconate titanate phase modulator＂，Opt.Lett.Vol.20，1510，1995)，是基于横向电光效应的平面叉指式电极的调相器阵列，如图1所示。在先技术之二(参见Q.W.Song et al，“Electro-opticbeam-steering device based on a lanthanum-modified lead zirconate titanateceramic wafer”，Appl.Optics，Vol.35，p3155，1996)，是基于纵向电光效应的透明电极型调相器阵列，如图2所示。在先技术之三(参见董作人等，“基于掺镧锆钛酸铅电光材料的光学相控阵光束扫描器”，中国激光，Vol.35，p109，2008)，是基于横向电光效应的波导型或类波导型调相器阵列，如图3所示。在先技术之四(P.McManamon，et al，“Optical array technology”，Proceeding ofthe IEEE，Vol.84，268，1996)，是基于液晶矩阵的调相器阵列。这些研究工作都显示了基于空间调相器阵列的光学相控阵的光束偏转扫描一定的效果。但是，光学相控阵的实际应用，要求光束扫描范围大、光束质量好(发散角小)、输出功率大、工作电压低和扫描速度快。研究工作表明，上述在先技术难以全面地满足这样的要求，存在着一些本质性的、互相矛盾的问题。

第一，光束扫描角度范围小。根据相控阵基本原理，光束扫描范围决定于波长与阵列周期之比，λ/a。图1为先技术之一平面叉指电极结构的示意图。图中101为电光材料，102为电极，103为两电极间的电场。在该结构中，减小阵列周期a，将导致电场透入深度d的减小，从而降低了相移量。由于电极宽度不可能无限缩小，周期的缩小也将导致有效通光孔径比b/a的减小。在先技术之二的透明电极的纵向电光效应结构，如图2所示。图中201为电光材料，202为透明电极，203为电极间的电场。在该结构中，减小阵列周期将导致电极间电压信号的相互串扰。并且导致有效透光孔径比b/a的减小。而且，在电光晶体或透明电光陶瓷进行电极间隔离的结构，工艺上的难度较大。因此这两种结构对扫描角度范围有限制。

第二，输出功率的问题。上述在先技术之一、二的两种结构，激光束通过平面入射，在表面采用增透膜后，光功率的透过率及衍射效率决定于有效通光孔径比b/a。因而不可避免地存在一定的损耗。在先技术之三的波导型结构如图3所示。图中301为电光薄膜波导，302为电极，303为入射光束会聚透镜，304为出射光束准直透镜。在该结构中，阵列周期有希望缩小，且可延长光程，有利于降低工作电压。原理上可以获得较大的角度扫描范围。但是光束需要耦合到一个波导型的结构中，降低了光束的透过率，而且出射光束发生了变化。由于波导的衍射效应，演变为上下和左右不对称的光束，在应用时需要进一步整形。因此这种结构在输出功率和能量效率方面存在欠缺。

第三，采用在先技术之四的液晶技术，可以获得较高密度的阵列，有利于加大扫描范围。而且工作电压远低于固体电光材料。文献报道液晶相控阵也取得了较好的效果。但是它的主要缺点：一是调制速率比较低；二是在耐受高功率密度的激光束方面有限制。目前报道的工作主要用于在光通信中多光路互连交换。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提出一种叠层型电光材料空间相位调制器，以获得降低工作电压，减少了光学元件和功率损耗，提高有效通光孔径比，结构形式多样，可实现光波多种空间相位调制和光波波面的变换。

本发明的技术解决方案如下：

一种叠层型电光空间相位调制器，特点在于其结构是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面L×K镀金属电极的电光材料平板沿厚度方向叠合而成，奇数层电极利用导线相连为一个电极，偶数层电极利用导线相连为另一个电极。

所述的电光材料平板是由二次电光效应材料制成的，多块电光材料平板的L×H面叠合后构成通光面。

所述的电光材料平板的厚度H，由下而上依次递增或递减。

所述的电光材料平板的厚度为H_i，由下而上依次为H_i～i^-1/2，其中i为电光材料平板的序号。

所述的电光材料平板(1)的长度L由下而上依次变短或加长。长度变化根据应用需要的相位空间分布和材料性能进行设计。

所述的电光材料平板(1)是由一次电光效应材料制成的，奇数层电光材料平板(1)的晶向与偶数层电光材料平板(1)的晶向相互正交，入射光束方向为两正交晶轴夹角的平分线。

本发明具有如下优点：

1、相移量正比于外加电场的平方，同时正比于通光方向上电光材料的长度。在相同参数的材料下，可以通过制备大的长度降低工作电压。

2、与在先技术之四的波导型方案相比，不需要压缩光束与波导匹配，减少了光学元件和功率损耗。

3、电极材料可以做的很薄，一般微米量级就可以获得良好的导电。与电光材料在x方向上每层的厚度相比，要小得多。与在先技术之一和在先技术之二相比，有效通光孔径比大大提高。

附图说明

图1是在先技术之一的基本结构

图2是在先技术之二的基本结构

图3是在先技术之三的基本结构

图4是叠层型电光空间相位调制器的实施例1的结构

图5是叠层型电光空间相位调制器的实施例2的结构

图6是叠层型电光空间相位调制器的实施例3的结构

图7是叠层型电光空间相位调制器的实施例4的结构

图8是叠层型电光空间相位调制器的实施例5的结构

图9是叠层型电光空间相位调制器电极结构设计例

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图4，图4是叠层型电光空间相位调制器的实施例1的结构，由图可见，本发明叠层型电光空间相位调制器，其结构是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面(L×K)镀金属电极2的电光材料平板1沿厚度方向叠加而成，奇数层电极利用导线3相连为一个电极，偶数层电极利用导线3相连为另一个电极。所述的电光材料平板1是二次电光效应的材料制成的，其折射率的变化量正比于外加电场幅度的平方；4和4a为与电源连接的结点。作为例子，图中画了6层电光材料平板1。实际器件的层数，可以根据需要和材料参数设计。

这一叠层型电光空间相位调制器的工作原理如下：在结点4和4a施加电压后，将在各层电光材料1的x方向上产生电场，该电场的方向如图中各层材料右边面上小箭头所示。光束入射方向为z，如图中大箭头所示。由二次电光效应材料的性质可知，二次电光材料的折射率的变化量与电场方向无关，整个通光面上光束都可以获得正负符号相同的相移。

本发明叠层型电光空间相位调制器实施例2的结构如图5所示。在这一结构中，结点4接地。电极4b、4c、4d分别连接驱动电源，可以获得不同的电压。因此可以获得在空间(x方向上)有一定分布变化的相移。图中显示了三个区域可以有不同的相移，类似地可以根据需要叠加到多个区域，以获得相控阵的效果。

本发明叠层型电光空间相位调制器实施例3的结构如图6所示。在这一结构中，各层电光材料的厚度不相等，而是按照在x方向上的位置依次变化。其变化的函数形式，可以根据材料的特性参数和应用需要设计。以二次电光效应和线性分布相移的要求为例，各层材料的厚度设计为H_i～i^-1/2，式中i为层次的序号。这样，电光折射率增量～(V/H_i)²～i，与层次序号成线性关系。

本发明叠层型电光空间相位调制器实施例4的结构如图7所示。在这一结构中，各层电光材料厚度相同，但在通光方向(z)上的长度按照在x方向上的位置依次变化。这样，在同样的电压下，各层折射率变化相同，而相移量正比于光程，因此可获得在x方向上变化的相移分布。

本发明叠层型电光空间相位调制器的实施例5的结构如图8所示。这一结构适用于一次电光晶体的情况。图中11为一次电光效应材料，每层平面垂直于单轴晶体的光轴110，各层施加电压后奇偶层两两相反。111和112为垂直平面(y-z)上的晶向，奇偶两层间偏转90度。入射平面(x-z)与该两光轴成45度，以保证各相邻层有相同正负号的电光效应。

以上实施例2、3、4，也可以按照一次电光效应的性质，分别进行设计制备。

本发明叠层型电光空间相位调制器，可以采用具有高的二次电光效应的掺镧锆钛酸铅透明陶瓷(PLZT)。也可以采用具有一次电光效应的铌酸锂电光晶体来制作。

叠层型电光空间相位调制器的制造方法，包括如下步骤：

1、将电光材料研磨和抛光成为所需厚度的平板，在采用一次电光效应材料时，须注意晶体的晶向；

2、两面蒸发金属电极；

3、根据设计切割电光材料为适当尺寸的长方形片子；

4、将切割好的片子重叠后烧结，在重叠时，留出各层引线的位置，如图9所示；在采用一次电光效应材料时，须注意晶体的晶向；

5、研磨和抛光烧结好的材料；

6、从各层电极上点焊引出金属线，并与驱动器电路连接。

Claims (6)

1、一种叠层型电光空间相位调制器，特征在于其结构是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面(L×K)镀金属电极(2)的电光材料平板(1)沿厚度方向叠合而成，奇数层电极利用导线(3)相连为一个电极，偶数层电极利用导线(3)相连为另一个电极。

2、根据权利要求1所述的叠层型电光空间相位调制器，其特征在于所述的电光材料平板(1)是由二次电光效应材料制成的，多块电光材料平板(1)的L×H面叠合后构成通光面。

3、根据权利要求2所述的叠层型电光空间相位调制器，其特征在于所述的电光材料平板(1)的厚度H，由下而上依次递增或递减。

4、根据权利要求3所述的叠层型电光空间相位调制器，其特征在于所述的电光材料平板(1)的厚度H_i，由下而上依次为H_i～i^-1/2，其中i为电光材料平板(1)的序号。

5、根据权利要求2所述的叠层型电光空间相位调制器，其特征在于所述的电光材料平板(1)的长度L由下而上依次变短或加长。长度变化根据应用需要的相位空间分布和材料性能进行设计。

6、根据权利要求1所述的叠层型电光空间相位调制器，其特征在于所述的电光材料平板(1)是由一次电光效应材料制成的，奇数层电光材料平板(21)的晶向与偶数层电光材料平板(21)的晶向相互正交，入射光束方向为两正交晶轴夹角的平分线。

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