CN101606097A - 包括分束器和线偏振模式相位调制器的相位调制器系统和用于将朝向该相位调制器传输和从该相位调制器反射回的光束分离的方法 - Google Patents

包括分束器和线偏振模式相位调制器的相位调制器系统和用于将朝向该相位调制器传输和从该相位调制器反射回的光束分离的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是相位调制器系统(20)，其包括分束器和适于调制具有至少一个特定偏振态的线偏振光而保持所述偏振态的反射模式相位调制器(8)。分束器和相位调制器(8)沿光束(1、3、5、7、9、10、11、12)的光路布置。分束器是偏振分束器(2)，相位调制器系统(20)还包括光束旋转器(6)，其沿偏振分束器(2)和相位调制器(8)间的光路布置，并将光束(5、9)的偏振态沿着给定方向旋转45°角，其中入射到相位调制器(8)上的光束(7)的偏振态对应于特定偏振态。本发明还涉及用于将相位调制器系统中的输入光束与相位调制过的光束分离的方法，相位调制器系统包括可工作在反射模下且适于调制具有至少一个特定线偏振态的线偏振光而保持所述特定线偏振态的相位调制器。所述方法包括步骤：a)通过使输入光束通过偏振分束器来提供具有第一偏振态的光束；b)利用光学旋转器将所述光束的所述第一偏振态沿着第一方向旋转45°角；c)利用相位调制器反射所述光束以得到相位调制过的反射光束，其中入射到相位调制器上的光束的偏振态对应于所述特定偏振态；d)利用光学旋转器将反射光束的偏振态沿着第一方向旋转45°角以得到偏振态与第一偏振态正交的光束；以及e)通过使所述光束通过偏振分束器将具有第二偏振态的光束与输入光束分开。

Description

包括分束器和线偏振模式相位调制器的相位调制器系统和用于将朝向该相位调制器传输和从该相位调制器反射回的光束分离的方法
技术领域
本发明涉及一种用于减小相位调制器系统的输出功率损耗的光学布置，所述相位调制器系统包括适于调制线偏振光而保持其偏振态不变的反射模式相位调制器。本发明还涉及一种用于将朝向相位调制器传输的光束和从该相位调制器反射回的光束分离的方法。
背景技术
已知的相位调制器系统可包含包括透射模式相位调制器(透射入射光)和反射模式相位调制器(反射入射光束)在内的各种相位调制器。本发明主要关注反射模式相位调制器的应用。某些应用需要特定的相位调制器，其反射或透射具有特定偏振的入射光束，并保持该特定偏振。该特定偏振可以是线偏振或者圆偏振。这两种相位调制器因此将被称为线偏振模式相位调制器和圆偏振模式相位调制器(LPM相位调制器和CPM相位调制器)。这样的相位调制器在市场上有售并广泛地用于各种应用中。
较便宜的LPM相位调制器和CPM相位调制器的构造通常要求入射光束与相位调制器的表面垂直，因此在反射模式相位调制器的情况下，入射光束沿相同的光路被反射返回。在大多数应用中，由于只有被反射的相位调制过的光束要被耦合出来以供进一步使用，因此必须将该相位调制过的光束与入射光束分离。
在传统的相移器布置中，入射光束与被反射的相位调制过的光束的分离通常是通过使用中性束分束器来实现的。例如，Jacek Kacperski等人描述了这样的一种布置(Optics Express 9664，Vol.14，No.21)，其中硅基液晶(LCoS)显示器用作LPM相位调制器。输入光束通过偏振控制器(其为λ/2波片)，以得到所需的线偏振态，然后通过中性束分束器，只将光束的一半引导到LCoS显示器上。被反射的相位调制过的光束再次通过该分束器，这意味着仅有原始光束的1/4可以从该系统中耦合出来，这种高输出损耗是传统LPM相位调制器系统的缺点。
美国第5,539,567号专利公开了一种相位调制器系统，用于解决在采用圆偏振光照射CPM相位调制器时将入射光束与反射光束分离的问题。为了产生圆偏振光，将输入光束引导到偏振分束器(PBS)中，该光束中的p偏振分量被该PBS内反射并从该PBS出射，朝向被提供以用于将线偏振光转换为圆偏振光的1/4波片。CPM相位调制器将该圆偏振光反射回而保持其圆偏振不变。由于该光束返回通过1/4波片，因此其偏振被转换回线偏振，但因为该光束两次经过该1/4波片，因此其偏振被旋转了90°，因此可以通过PBS。所以相位调制过的输出光束以与输入光束不同的位置和角度从该相位调制器系统出射。
上述布置不适于与LPM相位调制器一起使用，因为1/4波片产生圆偏振光从而使得该光束不适于LPM相位调制器。
一种用于与LPM相位调制器结合使用的类似的低输出损耗的光学布置是令人期待的。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种光学布置，其用于减小包括反射模式LPM相位调制器的相位调制器系统的输出损耗。
本发明的另一目的是提供一种用于将传向LPM相位调制器和从LPM相位调制器反射回的光束分离的方法。
上述目的是通过提供一种根据权利要求1的相位调制器系统和一种根据权利要求8的方法来实现的。
通过附图和示例性实施例，本发明的进一步的细节将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的光学相位调制器系统的示例性实施例的示意图。
图2是示出光束在通过相位调制器系统时在不同阶段的偏振态的示意图系列。
具体实施方式
图1是根据本发明的光学相位调制器系统20的示例性实施例的示意视图。该相位调制器系统20包括沿着横穿系统20的光束1、3、5、7、9、10、11、12的光路而布置的偏振分束器(PBS)2、λ/2波片4、光学旋转器6以及反射模式LPM相位调制器8。
取决于应用，所述光路可以沿着PBS 2和相位调制器8之间的任何理想的线。利用反射镜、光波导等创建所需的光路在现有技术中是公知的，因此不对之进一步详细讨论。
在本发明的背景中，光学旋转器被认为是一种偏振旋转器，其将线偏振光束的偏振态沿着给定方向旋转一特定角度，例如，旋转的方向与光传播的方向无关。根据本发明，光学旋转器6的旋转角度是45°。该光学旋转器6可以是，例如，任何具有经过适当选择的厚度的旋光材料(手性物质)，或者其可以是45°法拉第(Faraday)旋转器。
λ/2波片4另一方面是不同类型的偏振旋转器：往返通过λ/2波片的光束的旋转不是累计的，例如，旋转的方向依赖于光传播的方向。因此，往返通过这种波片的线偏振光的偏振方向将保持相同。
LPM相位调制器8可以是，例如，VAN(竖直对准向列)模式液晶，在一种其实际的实施形式中，是硅基液晶(LCoS)结构。
输入光束1被引导到PBS 2中，在PBS 2处其被分成s偏振分量1a和p偏振分量1b。s偏振分量1a被反射并从系统中射出，或者可替换地其可以被耦合出以供进一步使用，而p偏振分量1b通过PBS 2，并以光束3射出。在另一个优选实施例中，p偏振输入光束1在被引导到PBS 2中之前被产生，并且没有任何损耗地通过PBS 2。
根据优选实施例，使出射的p偏振光3通过λ/2波片4。λ/2波片4可被布置在沿着PBS 2和相位调制器8之间的光路的任何位置，并用于调节到相位调制器8的出射光束5的偏振角。当沿前向通过λ/2波片4时，p偏振光束3的线偏振被旋转了给定角度以匹配相位调制器8的所需的偏振角。
光束5传播到光学旋转器6，光学旋转器6将偏振旋转45°。作为通过了λ/2波片4和45°光学旋转器6的结果，入射到LPM相位调制器8上的光束7的偏振与相位调制器8的特定偏振态相对应，当入射光束7反射回时光束7的偏振没有变化，而光束7的相位得到了调制。当沿后向传输的被反射的相位调制过的光束9被光学旋转器6再次旋转45°时，出射光束10的偏振将垂直于光束5的偏振。进一步，当光束10沿后向通过λ/2波片4时，其偏振被往回旋转了与其沿着前向穿过它时相同的给定角度。因此得到s偏振光束11，其在再次入射到PBS 2时被PBS 2反射，并且因此能够以与进入系统20的输入光束1的位置和角度不同的位置和角度的输出s偏振光束12的形式被耦合出相位调制器系统20。
通过相位调制器系统20的光束(1、3、5、7、9、10、11、12)的偏振态在图2的图中被示出。箭头表示偏振方向(y轴对应竖直偏振或p偏振态)，而每个图下面的数字表示相关光束的标记数字。因此，第一个图示出输入光束1的偏振态，根据一个优选实施例其为p偏振(竖直偏振)光束。从PBS 2射出的光束3与输入光束1具有相同的偏振，这可以从第二个图中看出。第三个图示出光束5的偏振已被λ/2波片相对于光束3的偏振态旋转了给定角度α。所需的角度α可以通过绕z轴旋转λ/2波片从而改变λ/2波片的取向来比较容易地设置。光束7的偏振被光学旋转器6相对于光束5沿顺时针方向旋转45°，因此光束7的偏振与输入光束1的原始的p偏振成α+45°角。对λ/2波片的旋转角度进行选择以使得p偏振光束的总旋转导致与LPM相位调制器8的特定偏振态相对应的偏振态，其被反射回从而未改变。沿后向传输的相位调制过的光束9、10、11和12的偏振态用虚线箭头示出以使图更易于理解。正如可以从第五个图看出的，从LPM相位调制器8被反射回的光束9的偏振相对于入射光束7保持不变，而其相位得到了调制。当沿后向通过光学旋转器6时，光束10的偏振被沿相同的顺时针方向旋转了另一个45°，这意味着光束10的偏振与y轴成α+90°角，因为光学旋转器6的旋转的方向与传播方向无关。对于λ/2波片情况不是这样的，λ/2波片将光束10的偏振往回旋转相同的角度α，但这次是沿逆时针。因此所得到的光束11的偏振垂直于原始的p偏振输入光束1的偏振。因此，s偏振光束11以再次进入PBS 2时的角度被反射回，从而提供相位调制过的s偏振输出光束12，如在最后的图中所见。
输入和输出光束1和12的角色以及传播方向都是可逆的，这意味着如果s偏振光束11在PBS 2的输出端被给送到相位调制器系统20中，则相位调制过的p偏振光束1可在输入端得到。
λ/2波片4和光学旋转器6可以绕系统20的光轴旋转以实现更好的光透射。然而系统20的总透射主要是由相位调制器8的反射率(reflection rate)决定的，相位调制器8的反射率可以相对较大，通常约为70％。调制速度也是由相位调制器8决定的，而且通常有6-9ms之高。LPM相位调制器8优选为分辨率例如接近1920x1200的像素阵列型光学调制器。如果相位调制器8是VAN模式显示器，则该光学系统的总透射的改变在相位调制的功能中相当小，在上述实施例中，透射的总的改变对于1,3π的相位调制来说为+/-10％。
如果PBS 2和相位调制器8彼此对准从而使得从PBS 2出射的偏振光束3与相位调制器8所需的特定偏振态成45°角，则λ/2波片4可被省略。然而，通常不可能机械地将这些器件对准到的理想程度，在这种情形下，可以通过将合适的λ/2波片插入到沿PBS 2和相位调制器8之间的光路的任何地方来执行对这些器件的组装后阶段匹配。λ/2波片的旋转角度优选为在(-45°)和(+45°)之间，甚至更优选地在(-23°)和(+23°)之间。
意在仅将上述实施例作为说明性的例子，而不是限制本发明。在不背离由所附权利要求所决定的保护范围的情况下，各种改变对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (12)

1.一种相位调制器系统(20)，包括：
分束器；和
反射模式相位调制器(8)，其适于调制具有至少一个特定偏振态的线偏振光而保持所述偏振态不变；
其中所述分束器和所述相位调制器(8)沿着光束(1、3、5、7、9、10、11、12)的光路被布置，
其特征在于，所述分束器是偏振分束器(2)，并且所述相位调制器系统(20)还包括：
光学旋转器(6)，其沿所述偏振分束器(2)和所述相位调制器(8)之间的光路被布置，并且将传向所述相位调制器(8)和从所述相位调制器(8)返回的光束(5、9)的偏振态旋转总计90°；
其中入射到所述相位调制器(8)上的光束(7)的偏振态对应于所述特定偏振态。
2.根据权利要求1所述的相位调制器系统，其中，λ/2波片(4)沿着所述偏振分束器(2)和所述相位调制器(8)之间的光路被布置，所述λ/2波片(4)将传向所述相位调制器(8)的光束(3)的偏振态旋转一预先选择的角度(α)，并且将传向所述偏振分束器(2)的光束(10)的偏振态沿相反方向旋转相同的角度(α)。
3.根据权利要求2所述的相位调制器系统，其中，所述λ/2波片被布置在所述偏振分束器(2)和所述光学旋转器(6)之间。
4.根据权利要求2所述的相位调制器系统，其中，所述λ/2波片被布置在所述光学旋转器(6)和所述相移器(8)之间。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的相位调制器系统，其中，所述光学旋转器(6)为旋光物质。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的相位调制器系统，其中，所述光学旋转器(6)为45°法拉第旋转器。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的相位调制器系统，其中，所述相位调制器(8)是像素阵列型光学调制器，优选为竖直对准向列模式液晶结构，更优选为竖直对准向列模式硅基液晶结构。
8.一种用于将相位调制器系统中的输入光束与相位调制过的光束分离的方法，所述相位调制器系统包括相位调制器，所述相位调制器可工作在反射模式下且适于对具有至少一个特定线偏振态的线偏振光进行调制而保持所述特定线偏振态，其特征在于，所述方法包括步骤：
a)通过使输入光束通过偏振分束器来提供具有第一偏振态的光束；
b)利用光学旋转器将所述光束的所述第一偏振态沿着第一方向旋转45°；
c)利用所述相位调制器反射所述光束以得到相位调制过的反射光束，其中入射到所述相位调制器上的所述光束的偏振态对应于所述特定偏振态；
d)通过所述光学旋转器将所述反射光束的偏振态沿着所述第一方向旋转45°角，以得到具有与所述第一偏振态正交的偏振态的光束；以及
e)通过使所述光束通过所述偏振分束器将具有所述第二偏振态的光束与所述输入光束分离。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法还包括步骤：
f)利用λ/2波片将从所述偏振分束器传向所述相位调制器的光束的偏振态旋转α；以及
g)利用所述λ/2波片将从所述相位调制器传向所述偏振分束器的光束的偏振态旋转(-α)，α是(-45°)和(+45°)之间的角度，优选为(-20°)和(+20°)之间的角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中步骤f)在步骤a)和b)之间执行，并且步骤g)在步骤d)和e)之间执行。
11.根据权利要求9所述的方法，其中步骤f)在步骤b)和c)之间执行，并且步骤g)在步骤c)和d)之间执行。
12.根据权利要求8～11中的任意一项所述的方法，其中所述相位调制器是像素阵列型光学调制器，优选为竖直对准向列模式液晶结构，更优选为竖直对准向列模式硅基液晶结构。
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