CN101943805B - 电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法及利用此分束器的分束方法 - Google Patents

Abstract

电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法及利用此分束器的分束方法，涉及非线光学中的二次电光效应与光学分束技术领域。解决了现有的光学分束技术均不能通过改变外界条件而控制分束情况的问题。制作方法一：具体为：陆续利用具有相干性的两束光束在不同夹角时通过光折变效应在二次电光效应材料内记录体全息图，记录过程中保持一束光束方向与位置不变。另一种制作方法，具体为：m束具有相干性的光束彼此成一定夹角入射至二次电光效应材料的中心位置，利用光折变效应记录下体全息图。分束方法：在分束器的两端外加电压V，通过电压控制分束与否，使得入射光束经过分束器后可被分成多束光。本发明适用于分束情况需要改变和控制的分束领域。

Description

电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法及利用此分束器的分束方法

技术领域

本发明涉及非线光学领域，尤其涉及非线光学中的二次电光效应与光学分束技术领域。

背景技术

光学分束器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，其在光计算、光纤通信、光盘存储、光电技术、光学图象处理及精密测量等现代科技的许多领域中广泛应用。

传统的光学分束器利用光波经过不同折射率的介质时会发生反射和折射的性质制作而成。这种分束器的缺点是一次只能分出两束出射光波。要想得到几十束出射光波，则需要进行多次分光，因此这种分束器的体积较大、能量损耗多、均匀性差、调试困难，并且不能对分束与否进行简单的控制。

双折射光学分束器是利用光学材料的双折射性质制作而成的一种分束器，根据双折射晶体的双折射特性,当一束光入射到双折射晶体表面时,它的两个相互正交的偏振分量将以不同的折射规律折射。双折射光学分束器正是利用了不同偏振状态的光波经过介质时因折射率不同而产生的分光效应把入射光分开，利用双折射效应人们已经制作了握拉斯顿棱镜、菲涅耳棱镜等偏振分光棱镜，并在实际中广泛应用。但这种偏振分束器二次只能把入射光分为两束，且具有偏振性，不能实现多路同时输出和分束与否的简单控制。

二元光学分束器是一种纯相位衍射的光学分束器，它基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模电路制造工艺，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。它能够将一束入射的激光束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。目前，人们提出了二元光学分束器的各种结构与算法，如以求解非线性方程组的方法设计的Dammann体全息图、以模拟退火等非线性优化算法设计的相息体全息图、基于Talbot自成像效应的Talbot分束体全息图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阵列等。根据实际应用中的分束要求,可以选择各种二元光学分束器的设计方法。在计算机技术迅速发展的今天，设计不同用途的二元光学分束器已不成困难，关键在于二元光学分束器的工艺制作，这种分束器在实际应用中受到加工工艺还不成熟的限制，其成本较高，并且一旦分束器制作完成，其分束情况也就确定了下来，不能通过外界条件的改变对分束情况加以控制。

光纤耦合器也是一种分光装置，它将光信号从一条光纤中分至多条光纤中，在以太无源光网络(EPON)中起举足轻重的作用。光纤耦合器主要分为两种：熔融拉锥型和平面波导型。熔融拉锥型分束器制作方法简单，成本较低，技术成熟，但在高分路比下体积较大，性能处于劣势；平面波导型分束器是采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能，它体积小，性能稳定，但制作设备较为昂贵，技术门槛较高。对于光纤耦合器来说，无论是熔融拉锥型和平面波导型都不能通过外界条件的改变控制其分束与否。

发明内容

本发明为了解决现有的光学分束技术均不能通过改变外界条件而控制分束情况的问题，提出一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法及利用此分束器的分束方法。

电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，具体过程如下：

步骤一、具有相干性的第一光束2和第二光束3成夹角a入射至二次电光效应材料7的中心位置，在二次电光效应材料7内部形成光强分布不均匀的干涉条纹；

步骤二、利用光折变效应在二次电光效应材料7中记录第一幅体全息图；

步骤三、保持第一光束2相对于二次电光效应材料7的方向和入射点不变，在入射平面内改变第二光束3的入射方向，在二次电光效应材料7内部形成光强分布不均匀的干涉条纹；

步骤四、利用光折变效应在二次电光效应材料7中记录第二幅体全息图；

步骤五、返回执行步骤三，直到完成记录n幅体全息图，记录完n幅体全息图的二次电光效应材料7即为制作完成的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10，所述n为入射光束经过电控二次电光效应布拉格衍射分束器后分束的数目减1。

利用上述制作方法获得的电控二次电光效应布拉格衍射的分束器实现分束的方法的具体过程如下：

入射光束入射至电控二次电光效应布拉格衍射分束器10上，入射光束与第一光束2同波长、同偏振方向、同入射角度、同入射位置，在入射平面内的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两侧外加电压V；

当所述电压V=0时，入射光束不被分束；

当所述压V≠0时，电控二次电光效应布拉格衍射分束器10记录的体全息图作为折射率光栅，入射光束被分成n+1束出射光，所述n+1束出射光包括1束透射光和n束衍射光束，所述n束衍射光束的衍射方向为制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器10时所有第二光束3的出射方向。

采用本发明方法制作的分束器具有体积小、成本低、加工简单、响应速度快（纳秒量级）的优点，这些优点使得其应用领域非常广阔。

本发明的电控二次电光效应布拉格衍射分束方法，利用电场对二次电光效应材料10中体全息图折射率的控制以及体全息图的布拉格衍射，通过外加电场控制布拉格衍射的有无，进而控制入射光的分束与否，从而可以实现入射光束的电场可控分束。

附图说明

图1为具体实施方式一的的流程图。图2为具体实施方式一中电控二次电光效应布拉格衍射分束器制作方法的光路图。图3为具体实施方式十中电控二次电光效应布拉格衍射分束器制作方法的光路图。图4为利用电控二次电光效应布拉格衍射的分束器的分束方法的原理图。图5和图6为具体实施方式十七的分光实验结果图；其中图5为无外加电压的分光实验结果图，图6为外加750V电压的分光实验结果图。图7和图8为具体实施方式十八的分光实验结果图；其中图7为无外加电压的分光实验结果图，图8为外加750V电压的分光实验结果图。图9和图10具体实施方式十九的分光实验结果图；其中图9为无外加电压的分光实验结果图，图10为外加750V电压的分光实验结果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，具体过程如下：

步骤一、具有相干性的第一光束2和第二光束3成夹角a入射至二次电光效应材料7的中心位置，在二次电光效应材料7内部形成光强分布不均匀的干涉条纹；

步骤二、利用光折变效应在二次电光效应材料7中记录第一幅体全息图；

步骤三、保持第一光束2相对于二次电光效应材料7的方向和入射点不变，在入射平面内改变第二光束3的入射方向，在二次电光效应材料7内部形成光强分布不均匀的干涉条纹；

步骤四、利用光折变效应在二次电光效应材料7中记录第二幅体全息图；

步骤五、返回执行步骤三，直到完成记录n幅体全息图，记录完n幅体全息图的二次电光效应材料7即为制作完成的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10，所述n为入射光束经过电控二次电光效应布拉格衍射分束器后分束的数目减1。

n次入射第二光束3方向均不相同，在电控二次电光效应布拉格衍射分束器制作过程中可以通过各全息图的曝光时间来控制分束器在分束过程中各个出射光束的光强。

在所有透明的光学材料中某些材料加上电场后，其折射率会发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应分为两种：一种是一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔斯（Pokels）效应，是指折射率的变化与电场成正比的一种电光效应。另一种是二次电光效应，也称为平方电光效应或克尔（Kerr）效应，是指折射率的变化与电场平方成正比的一种电光效应。二次电光效应写成公式为：

其中，Δn为折射率的变化值，n0为未发生变化前的折射率，geff为二次电光系数，ε0为真空中的介电系数，εr为相对介电系数，E为晶体内的电场强度。

本发明正是利用了其中的二次电光效应，通过外加电场对二次电光材料的折射率进行控制，最终实现了电控分束器。

二次光电效应材料7包括无机材料和有机材料，例如钽铌酸钾锂，钽铌酸钾钠为无机二次光电效应材料，热交联聚氨酯为有机二次光电效应材料。当选定了二次电光效应材料7后，二次电光效应材料7的光学性质即已确定，这时可以根据材料性质与分束要求对其设计曝光时间，通过控制各体全息图的曝光时间，达到需要的分束效果。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，步骤一中具有相干性的第一光束2和第二光束3为同一束光经过分束后形成的两束具有相干性的光束。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，步骤一中具有相干性的第一光束2和第二光束3的获得方法具体为：激光器1发出的光经过分束器4后被分成两束光，其中一束光经过第一反射镜5的反射作为第一光束2入射至二次电光效应材料7的中心位置，另一束光经过第二反射镜6的反射作为第二光束3入射至二次电光效应材料7的中心位置。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，步骤一中第一光束2和第二光束3成一定夹角入射，所述夹角在10°至20°之间。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式三的进一步说明，步骤三中改变第二光束3的入射方向的方法具体为：改变第二反射镜6的位置和角度，使得经过第二反射镜6反射的第二光束3入射方向改变。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一、二或三的进一步说明，以制作一个1束光入射分为5束光出射的电控二次电光效应布拉格衍射分束器为例说明：第一光束2的光强为50.00毫瓦每平方厘米，第二光束3的光强为50.00毫瓦每平方厘米，第一光束2与第二光束3之间的夹角分别为-20°、-10°、10°和20°，二次电光效应材料7尺寸为5.00×3.00×1.50立方毫米。

第一光束2与第二光束3之间的夹角正负规定：顺时针方向为正，逆时针方向为负。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式三的进一步说明，激光器1为半导体激光器，半导体激光器1的输出波长为532.0纳米。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，第一光束2始终垂直于二次电光效应材料7的5.00毫米×3.00毫米的入射面入射至二次电光效应材料7的中心。

具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式一、二、三、四、五、六、七和八的进一步说明，二次电光效应材料7为掺杂锰的钽铌酸钾锂，锰离子浓度为100摩尔钽铌酸钾锂分子中掺杂0.5摩尔锰离子。

具体实施方式十、结合图3说明本实施方式，电控二次电光效应布拉格衍射分束器的另一种制作方法，具体过程如下：

步骤一一、m束具有相干性的光束入射至二次电光效应材料7的中心位置，在二次电光效应材料7内部形成光强分布不均匀的干涉条纹，所述m束具有相干性的光束在同一入射平面内并且不重合；

步骤二二、利用光折变效应在二次电光效应材料7中记录下体全息图，记录了体全息图的二次电光效应材料7即为制作完成的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10。

具体实施方式十一、本实施方式是对具体实施方式十的进一步说明，步骤一一中m束具有相干性的光束彼此成一定夹角入射，所述夹角在10°至20°之间。

具体实施方式十二、本实施方式是对具体实施方式十或十一的进一步说明，二次电光效应材料7为掺杂锰的钽铌酸钾锂，锰离子浓度为100摩尔钽铌酸钾锂分子中掺杂0.5摩尔锰离子。

具体实施方式十三、本实施方式是对具体实施方式十、十一和十二的进一步说明，二次电光效应材料7尺寸为5.00×3.00×1.50立方毫米；m束具有相干性的光束于二次电光效应材料7的5.00毫米×3.00毫米的入射面入射至二次电光效应材料7的中心，每相邻两束光束之间的夹角均为10°，m束光束的光强均为40.00毫瓦每平方厘米。

具体实施方式十四、结合图4说明本实施方式，利用电控二次电光效应布拉格衍射分束器的分束方法的具体过程如下：

步骤A、根据分束的多少制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器10；

步骤B、在步骤A获得电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两端外加电压V，使得入射光束经过分束器后衍射出多束光。

衍射后的各个出射光束的强度可以通过调整记录体全息图时的曝光时间、各记录光束的光强、外加电场大小加以控制。

通过控制电控二次电光效应布拉格衍射分束器10两侧的外加电压来控制入射光的分束情况。如不需要分束，则不在电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两端施加电压，这时电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的折射率光栅不显现，入射光直接透射过电控二次电光效应布拉格衍射分束器10不会产生衍射。如需要进行分束，把加在电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两端的电压调整到适当值，这时电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的折射率光栅被显现，入射光就被衍射到在制作过程中，记录折射率光栅所用记录光束的所有方向，实现分束。

具体实施方式十五、本实施方式是对具体实施方式十四的进一步说明，本实施方式中的步骤A中，采用具体实施方式一中的制作方法制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器10；获得能够分出n+1束光束的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10；

在步骤B中，在电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两端外加电压V，使得入射光束经过电控二次电光效应布拉格衍射分束器10后衍射出多束光，具体过程为：

入射光束入射至电控二次电光效应布拉格衍射分束器10上，入射光束与第一光束2同方向、同波长、同偏振方向、同入射角度、同入射位置，在入射平面内的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两侧外加电压V；

当所述电压V=0时，入射光束不被分束；

当所述电压V≠0时，电控二次电光效应布拉格衍射分束器10记录的体全息图作为折射率光栅，入射光束被分成n+1束出射光，所述n+1束出射光包括1束透射光和n束衍射光束，所述n束衍射光束的衍射方向为制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器10时所有第二光束3的出射方向。

具体实施方式十六、本实施方式是对具体实施方式十四的进一步说明，本实施方式在步骤A中，采用具体实施方式十所述的制作方法制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器10；获得能够分出m锰束光束的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10；

在步骤B中，在电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两端外加电压V，使得入射光束经过电控二次电光效应布拉格衍射分束器10后衍射出多束光具体过程为：

入射光束入射至电控二次电光效应布拉格衍射分束器10上，入射光束与m束具有相干性的光束中的任何一束光束的波长、偏振方向、入射角度以及入射位置相同，在入射平面内的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的两侧外加电压V；

当所述电压V=0时，入射光束不被分束；

当所述电压V≠0时，电控二次电光效应布拉格衍射分束器10记录的体全息图作为折射率光栅，入射光束被分成m束出射光，所述m束出射光包括1束透射光和m-1束衍射光束，所述m束出射光束的出射方向为制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器10时所有记录光束的出射方向。

具体实施方式十七、结合图1、图2、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式一所述的制作方法制作能够分出5束光束的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的方法。本实施方式中采用的激光器1是半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米，第一光束2的光强为50.00毫瓦每平方厘米，第二光束3的光强为50.00毫瓦每平方厘米，第一光束2与第二光束3偏振方向均在入射平面内。第一光束2与第二光束3之间的角度分别为-20°(度)、-10°(度)、10°(度)、20°(度)。二次电光效应材料7尺寸为5.00×3.00×1.50立方毫米，第一光束2垂直入射二次电光效应材料7的5.00毫米×3.00毫米面，3.00毫米方向在入射平面内。二次电光效应材料7选用掺杂锰的钽铌酸钾锂作为记录介质，其中锰离子浓度为100摩尔钽铌酸钾锂分子中掺杂0.5摩尔锰离子。所述二次电光效应材料7被第一光束2和不同角度的第二光束3照射后，在二次电光效应材料7内建立体全息图，通过控制各个体全息图的曝光时间最终达到各衍射光的光强一致，且所有出射的5束光强度相等。记录了体全息图的二次电光效应材料7即为制作完成的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10。分束过程中用与第一光束2同波长、同偏振方向、同入射角度、同入射位置的激光束照射电控二次电光效应布拉格衍射分束器10。这时可以通过外加电压即可控制电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的分束情况。当不需要分束时，无外加电压，这时只有一束透射光从分束器出射，如图5所示。当需要分束时，晶体3.00毫米方向外加750伏特电压，就有5束光从分束器出射，衍射光束与透射光束之间的夹角分别为-20°(度)、-10°(度)、10°(度)、20°(度)。如图6所示。

具体实施方式十八、结合结合图1、图2、图4、图7和图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式十七的不同之处在于第一光束2与第二光束3之间的角度分别为-20°(度)、10°(度)、20°(度)（顺时针方向为正）。所述二次电光效应材料7被第一光束2和不同角度的第二光束3照射后，在二次电光效应材料7内建立体全息图，各对应光束与透射光束之间的夹角分别为-20°(度)、0°(度)、10°(度)、20°(度)。当不需要分束时，无外加电压，这时只有一束透射光从分束器出射，如图7所示。当需要分束时，晶体3.00毫米方向外加750伏特电压，就有5束光从分束器出射，衍射光束与透射光束之间的夹角分别为-20°(度)、10°(度)、20°(度)。如图8所示。

具体实施方式十九、结合图1、图2、图4、图9和图10说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式十所述的制作方法制作能够分出5束光束的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10的方法。本实施方式中采用的激光器1是半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米。入射光被分成5束具有相干性的光束于二次电光效应材料7的5.00毫米×3.00毫米的入射面入射至二次电光效应材料7的中心，每相邻两束光束之间的夹角均为10°，5束光束的光强均为40.00毫瓦每平方厘米。二次电光效应材料7尺寸为5.00×3.00×1.50立方毫米，二次电光效应材料7选用掺杂锰的钽铌酸钾锂作为记录介质，其中锰离子浓度为100摩尔钽铌酸钾锂分子中掺杂0.5摩尔锰离子。所述二次电光效应材料7被5束入射光照射后，在二次电光效应材料7内建立体全息图，记录了体全息图的二次电光效应材料7即为制作完成的电控二次电光效应布拉格衍射分束器10。分束过程中入射光束入射至电控二次电光效应布拉格衍射分束器10上，入射光束与5束具有相干性的光束中的任何一束光束的波长、偏振方向、入射角度以及入射位置相同。当不需要分束时，无外加电压，这时只有一束透射光从分束器出射，如图9所示。当需要分束时，晶体3.00毫米方向外加750伏特电压，就有5束光从分束器出射，衍射光束与透射光束之间的夹角分别为-20°(度)、-10°(度)、10°(度)、20°(度)。如图10所示。

Claims (6)

1.一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，其特征在于具体过程如下：

步骤一、具有相干性的第一光束(2)和第二光束(3)成夹角a入射至二次电光效应材料(7)的中心位置，在二次电光效应材料(7)内部形成光强分布不均匀的干涉条纹；

步骤二、利用光折变效应在二次电光效应材料(7)中记录第一幅体全息图；

步骤三、保持第一光束(2)相对于二次电光效应材料(7)的方向和入射点不变，在入射平面内改变第二光束(3)的入射方向，在二次电光效应材料(7)内部形成光强分布不均匀的干涉条纹；

步骤四、利用光折变效应在二次电光效应材料(7)中记录第二幅体全息图；

步骤五、返回执行步骤三，直到完成记录n幅体全息图，记录完n幅体全息图的二次电光效应材料(7)即为制作完成的电控二次电光效应布拉格衍射分束器(10)，所述n为入射光束经过电控二次电光效应布拉格衍射分束器后分束的数目减1。

2.根据权利要求1所述的一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，其特征在于步骤一中具有相干性的第一光束(2)和第二光束(3)为同一束光经过分束后形成的两束具有相干性的光束。

3.根据权利要求2所述的一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，其特征在于具有相干性的第一光束(2)和第二光束(3)具体获得方法为：激光器1发出的一束光经过分束器(4)后被分成两束光，其中一束光经过第一反射镜(5)的反射作为第一光束(2)入射至二次电光效应材料(7)的中心位置，另一束光经过第二反射镜(6)的反射作为第二光束(3)入射至二次电光效应材料(7)的中心位置。

4.根据权利要求1所述的一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，其特征在于步骤一中第一光束(2)和第二光束(3)夹角a在10°至20°之间。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种电控二次电光效应布拉格衍射分束器的制作方法，其特征在于二次电光效应材料(7)为掺杂锰的钽铌酸钾锂，锰离子浓度为100摩尔钽铌酸钾锂分子中掺杂0.5摩尔锰离子。

6.利用权利要求1所述的制作方法获得的电控二次电光效应布拉格衍射的分束器实现分束的方法，其特征在于具体过程如下：

入射光束入射至电控二次电光效应布拉格衍射分束器(10)上，所述入射光束与第一光束(2)同方向、同波长、同偏振方向、同入射角度、同入射位置，在入射平面内的电控二次电光效应布拉格衍射分束器(10)的两侧外加电压V；

当所述电压V=0时，入射光束不被分束；

当所述电压V≠0时，电控二次电光效应布拉格衍射分束器(10)记录的体全息图作为折射率光栅，入射光束被分成n+1束出射光，所述n+1束出射光包括1束透射光和n束衍射光束，所述n束衍射光束的衍射方向为制作电控二次电光效应布拉格衍射分束器(10)时所有第二光束(3)的出射方向。