CN102331631A - 一种基于古斯汉欣效应的光开关器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于古斯汉欣效应的光开关器件。该光开关器件包括输入光学元件、偏振控制元件、光学耦合元件、具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件、控制系统、以及输出光学元件。对于入射光束的波长、偏振态和角度，控制系统通过改变与多层膜结构中包覆层及各层的折射率或厚度，改变多层膜结构元件产生的古斯汉欣位移的大小，入射光在多层膜结构元件的表面以相同角度进行一次或多次反射，产生明显的古斯汉欣位移使得反射光束与无古斯汉欣位移时的反射光束能明显区分。具有有限的通光区域的输出光学元件，其通光区域的大小和位置允许具有最大古斯汉欣效应时的光束通过并输出，而不允许具有最小古斯汉欣效应时的光束通过和输出。

Description

一种基于古斯汉欣效应的光开关器件

技术领域

本发明涉及一种基于古斯汉欣效应实现的光开关，通过改变入射光的相位变化，改变反射光斑的古斯汉欣位移大小，以实现开关的选通，属于光学技术领域。

背景技术

当光束在界面发生反射时，当界面的反射率函数(包括强度和相位)不为常数时，将可能发生一系列非镜面反射现象。例如：光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以存在一定的侧向位移。这一现象首先由Goos和Hanchen通过实验证实，因而被称为古斯汉欣现象(Goos Hanchen effect)。作为非镜面反射的典型效应，古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点，在几十年间得到了深入研究。研究发现古斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的。对于接近准直的光束而言，古斯汉欣位移的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数的一阶导数决定。通常情况下，这种相位跳变不大，因此古斯汉欣位移的大小一般仅在波长量级，往往可被忽略。几十年来的研究发现可以通过材料的选择，如包括吸收材料、左手人工材料、金属薄膜、二维光子晶体等增强古斯汉欣现象。以往研究也发现，在两个材料界面上发生全反射时，在全反射角附近，即反射强度发生显著变化时，由于反射率函数的相位项会发生明显改变，从而可以产生古斯汉欣现象。此外，一些能产生能产生倏逝波的结构中的古斯汉欣现象也被广泛研究，如表面等离子共振结构、金属包覆的光波导结构、双棱镜结构等。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于古斯汉欣效应的光开关器件。

本发明提供了一种光开关器件，包括输入光学元件、偏振控制元件、光学耦合元件、具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件、控制系统、以及输出光学元件。其中，输入光学元件将输入光以固定的角度通过光学耦合元件入射到具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件上，入射光的偏振态由偏振控制元件决定，并与具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件产生较大古斯汉欣效应所需的偏振态一致，入射光通过光学耦合元件进入所述多层膜结构元件，并在多层膜结构表面进行一次或多次反射，然后经输出光学元件输出。对于入射光束的波长、偏振态和角度，控制系统通过改变与多层膜结构中包覆层及各层的折射率或厚度，进而调整反射时的相位差变化，从而改变多层膜结构元件产生的古斯汉欣位移的大小。在控制系统的作用下，能够产生的最大和最小的古斯汉欣位移的差使得两种情况下的反射光束能明显分开。输出光学元件固定放置在产生最大古斯汉欣位移的反射光的路径，其具有有限的通光区域，该通光区域的大小和位置允许具有最大古斯汉欣效应时的光束通过并输出，并不允许具有最小古斯汉欣效应时的光束通过和输出。

在上述光开关器件中，输入光学元件的作用是获得准直性良好的、能满足产生较大古斯汉欣位移的入射光束。对于光纤激光器，其可以由光纤耦合器和准直透镜组成，或直接由光纤准直器组成。对于自由空间输出的激光器输出以及已耦合入自由空间的激光器输出，所述输入光学元件还可以包括透镜组和\或空间滤波器，其作用是对输出光束进行整形，以获得满足要求的入射光束。

在上述光开关器件中，偏振控制元件包括起偏器，可采用偏振片、偏振分光棱镜或格兰棱镜实现，其作用是提供线偏振光。所述偏振控制元件还可以包括放置在所述起偏器之前的偏振控制器和\或波片组用以对起偏器后的线偏振光进行功率调节。所述偏振控制元件还可以包括放置在起偏器之后的二分之一波片或波片组，用于对起偏器后的线偏振态进行改变，如将二分之一波片旋转45度，可将P偏振光调成S偏振光或相反。

在上述光开关器件中，光学耦合元件是可以将上述入射偏振光耦合入多层膜结构的装置，可以是棱镜、光栅等，或棱镜/光栅与反射镜组的组合。

在上述光开关器件中，多层膜结构元件的作用是可通过控制系统调节其包覆层或其中某层结构的物理性质，进而产生较大且可以改变的古斯汉欣位移。其能够产生的最大和最小的古斯汉欣位移的差能使相应反射光束明显区分开来，以大于或等于入射光束腰斑直径的1/4的古斯汉欣位移为宜。该多层膜结构可以由两种或以上具有不同折射率的全介质材料层交替形成；也可以由透明电介质、金属、吸收材料、左手人工材料等中的一种或多种组成。

在一个示例中，多层膜结构元件包括透明电介质基底、多层介质材料层、介质缓冲层和包覆层，其中多层介质材料层由两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成；多层膜结构中各层折射率均大于包覆层的折射率；对于入射光束的工作波长，该多层膜结构在角度区间[α，β]内具有相位变化，该多层膜结构在与介质缓冲层相邻的包覆层和介质缓冲层的交界面处发生全反射的全反射临界角为γ，γ＜β；该光开关器件的工作角度大于γ。

在上述光开关器件中，控制系统的作用是改变反射光的相位变化，以获得不同的古斯汉欣位移大小。控制系统可通过改变多层膜结构中的包覆层材料实现对包覆层折射率的控制；也可以利用热光效应、磁光效应、声光效应、电光效应、光克尔效应或弹光效应等，通过改变温度、磁场、声波场、电场、光强或应力等的大小，对多层膜结构中包覆层及各层的折射率或厚度进行控制；从而改变多层膜结构元件产生的古斯汉欣位移的大小。

在上述光开关器件中，输出光学元件由透镜、光纤组成，将光束耦合入光纤并输出，其通光区域由光纤及透镜的数值孔径决定；在透镜之前也可放置光阑或刀片，其通光区域由光阑或刀片的位置和光纤及透镜的数值孔径决定，且在其固定的位置上无法将古斯汉欣位移最小时的光束耦合进入光纤。输出光学元件也可由刀片或光阑组成，实现自由空间输出，其通光区域由光阑或刀片的位置决定，遮挡古斯汉欣位移最小时的光束。

基于本发明提出的光开关器件可以通过微小的包覆层折射率变化或薄膜厚度变化，方便地实现开关选通，并可实现较高的消光比以及较低损耗，便于实现集成化、小型化和便携化。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是光开关器件结构的示意图；

图2是实例1中所述光开关器件所使用的多层膜结构；

图3是实例1中在固定工作角度下，包覆层为空气和水时，用CCD获得的反射光束形状；

图4是实例1中，采用控制系统在微流槽中通入空气和水时，实现的开关切换图；

图5是实例1中，使用1％NaCl溶液替代空气作为包覆层，该光开关的“开”“关”状态测量；

图6是实例1中，使光开关中实现在多层膜结构表面两次反射的系统装置；

图7是实例2中的多层膜结构下，计算出的当包覆层分别为空气和水时的反射光束强度分布曲线。

具体实施方式

实例1

在本发明提供的能产生古斯汉欣效应的多层膜结构元件中，该元件中的多层介质材料层是具有一定反射率并同时具有较大反射相位变化的结构，如将其近似等效为一个反射面，其反射系数为r₁，大角度入射的入射光将在该反射面与发生全反射的界面之间产生多次反射与折射，则该光学相位器件的反射率Γ可近似描述为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{r_1{r}_2\exp \left(2\mathrm{i\δ}\right)}{r_1+r_2\exp \left(2\mathrm{i\δ}\right)}$

其中r₂为发生全反射的界面的反射系数；δ为经过多层介质材料层与全反射界面之间的区域所引入的相位差。由于|r₂|为1(全反射效应)，因此|Γ|也为1(如器件中其他介质无吸收损耗)。其中r₁在工作范围附近具有较大的与角度/波长相关的相位变化，而且δ也同时受角度与入射光波长影响：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{nd}}_{\mathrm{buffer}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{buffer}},$

其中λ为波长，n为介质缓冲层折射率，d_buffer为介质缓冲层厚度，θ_buffer为入射到介质缓冲层的入射角度。当入射角度和波长固定时，整体结构的相位响应会受反射界面的反射系数r₂影响，当改变包覆层折射率时，整体相位相应发生变化，从而古斯汉欣位移大小发生变化。对于固定位置的输出光学元件，可通过改变包覆层折射率实现光开关的选通。

本实例中的光开关，工作在980nm波长，包括输入光学元件、偏振控制元件、光学耦合元件、具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件、控制系统、以及输出光学元件等，如图1所示。本实例中的光开关的工作偏振态为P偏振态。

本例中输入光学元件包括光纤耦合器、准直透镜、由透镜组和针孔组成的空间滤波器等，经过输入光学元件输出的入射光束为腰斑半径(光强1/e处)750微米的高斯光束。

本例中偏振控制元件包括格兰棱镜和放于格兰棱镜之前的光纤偏振控制器以及放于格兰棱镜之后的二分之一波片。二分之一波片的作用是可以通过选择45度，进行S偏振态和P偏振态的选择。本例中偏振控制元件为P偏振态选通。

本例中的光学耦合元件为SF10玻璃材料的高折射率正三角形棱镜，其折射率为1.704。

本例中的多层膜结构元件包括透明电介质基底、多层介质材料层、介质缓冲层和包覆层，如图2所示。其中透明电介质基底201的材料为ZF10玻璃，其折射率为1.668；本例中多层介质材料层202为典型的一维光子晶体结构，由10个周期组成，其中高折射率介质薄层206的材料为二氧化钛，其折射率为2.3，厚度为163nm，低折射率介质薄层207的材料为二氧化硅，其折射率为1.434，厚度为391nm；介质缓冲层203的材料为二氧化钛，其折射率为2.3，厚度为23nm。包覆层204为水或空气，通过PDMS微流槽通入介质缓冲层的表面。

本例中的控制系统为与上述PDMS微流槽联通的微流控制箱，包括微流泵、阀以及软件控制系统，通过该控制系统可将不同浓度的溶液或空气通入微流槽中形成包覆层。

本例中的输出光学元件包括焦距为12mm的耦合透镜以及光纤耦合调整架、将产生较大古斯汉欣位移的反射光斑耦合入光纤，耦合透镜之前也可放置光阑。输出光采用功率计或光探头加示波器检测。

图3为在固定工作角度下，包覆层为空气和水时，用CCD获得的反射光束形状，其中包覆层为水时发生较大古斯汉欣位移。

图4为采用控制系统在微流槽中通入空气和水时，实现的开关切换。图中微流泵的流速设为50μl/s，能实现的开关速度为20ms。

图5为使用1％NaCl溶液替代空气作为包覆层，该光开关的“开”“关”状态测量。1％NaCl溶液与纯水的折射率差为1.7*10^-3RIU。

图6为可以采用的另一种系统装置，即在光学耦合元件的出射端放一个直角反射镜，使得入射光束在多层膜结构元件表面实现两次反射，进一步将具有较大古斯汉欣位移的反射光束与几乎没有古斯汉欣位移的参考光束分开，进一步提高开关的消光比，获得更好的开关性能。

实例2

本实例使用的多层膜结构如图2所示，输入光的偏振态选为P偏振，入射光波长选定为980nm。透明电介质基底201的材料为ZF10玻璃，其折射率为1.668。本实例中，一个高折射率介质薄层206和一个低折射率介质薄层207交替组成一个单元，多层介质材料层202由10个单元组成，每个单元内低折射率介质薄层207采用二氧化硅，其折射率为1.434，其厚度固定，为370nm，而高折射率介质薄层206采用二氧化钛，其折射率为2.3，其厚度以200nm为期望，10nm为标准差高斯随机变化。本例中从透明电介质基底开始自上而下的每个单元中，其厚度分别为186.7nm、176.7nm、185.5nm、203.3nm、203.9nm、204.5nm、198.7nm、201.8nm、195.2nm、208.6nm。介质缓冲层203的材料为二氧化钛，其折射率为2.3，厚度为30nm。包覆层204为水或空气，通过PDMS微流槽通入介质缓冲层的表面。通过包括微流泵、阀以及软件控制系统在内的微流控制箱，分别将不同浓度的溶液或空气通入微流槽中形成包覆层。

图7为计算出的该多层膜结构下当包覆层分别为空气和水时的反射光束强度分布曲线，入射光束的腰斑半径(光强1/e处)为600微米，通过合理选择通光区域，可实现开关切换。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光开关器件，其特征在于，包括输入光学元件、偏振控制元件、光学耦合元件、具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件、控制系统、以及输出光学元件；输入光学元件将输入光以固定的角度通过光学耦合元件入射到具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件上，入射光的偏振态由偏振控制元件决定并与具有可变的古斯汉欣效应的多层膜结构元件产生古斯汉欣效应所需的偏振态一致，入射光通过光学耦合元件进入所述多层膜结构元件，并在其表面以相同角度进行一次或多次反射，然后经输出光学元件输出；对于入射光束的波长、偏振态和角度，控制系统通过改变与多层膜结构中包覆层及各层的折射率或厚度，改变多层膜结构元件产生的古斯汉欣位移的大小，控制系统能够产生的最大和最小的古斯汉欣位移的差不小于入射光束腰斑直径的1/4；输出光学元件固定放置在产生最大古斯汉欣位移时的反射光的路径中，其具有有限的通光区域，该通光区域的大小和位置允许具有最大古斯汉欣效应时的光束通过并输出，而不允许具有最小古斯汉欣效应时的光束通过和输出。

2.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，多层膜结构包括透明电介质基底、多层介质材料层、介质缓冲层和包覆层，其中多层介质材料层由两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成；多层膜结构中各层折射率均大于包覆层的折射率；对于入射光束的工作波长，该多层膜结构在角度区间[α，β]内具有相位变化，该多层膜结构在与介质缓冲层相邻的包覆层和介质缓冲层的交界面处发生全反射的全反射临界角为γ，γ＜β；该光开关器件的工作角度大于γ。

3.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，多层膜结构中的各层材料可以是透明电介质、金属、吸收材料、左手人工材料中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，所述控制系统通过改变多层膜结构中的包覆层材料组分实现对包覆层折射率的控制；或利用热光效应、磁光效应、声光效应、电光效应、光克尔效应或弹光效应，通过施加温度、磁场、声波场、电场、光强或应力，对多层膜结构中包覆层及各层的折射率或厚度进行控制；从而改变多层膜结构元件产生的古斯汉欣位移的大小。

5.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，所述输出光学元件由透镜、光纤组成，将光束耦合入光纤并输出，其通光区域由光纤及透镜的数值孔径决定，且在其固定的位置上无法将古斯汉欣位移最小时的光束耦合进入光纤；或由光阑或刀片、透镜和光纤组成，将光束耦合入光纤并输出，其通光区域由光阑或刀片的位置和光纤及透镜的数值孔径决定，且在其固定的位置上无法将古斯汉欣位移最小时的光束耦合进入光纤；或由刀片或光阑组成，实现自由空间输出，其通光区域由光阑或刀片的位置决定，遮挡古斯汉欣位移最小时的光束。

6.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，所述光学耦合元件可以但不限于棱镜和光栅；或棱镜/光栅与反射镜组的组合。

7.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，所述偏振控制元件包括起偏器，用偏振片、偏振分光棱镜或格兰棱镜实现。

8.如权利要求1和8所述的光开关器件，其特征在于，所述偏振控制元件还可以包括放置在所述起偏器之前的偏振控制器和/或波片组用以对起偏器后的线偏振光功率进行调节；还可以包括放置在起偏器之后的波片组，用于对起偏器后的线偏振态进行改变。

9.如权利要求1所述的光开关器件，其特征在于，所述输入光学元件包括透镜组、反射镜组和/或空间滤波器，其作用是对输出光束进行整形，以获得准直性良好的光束。

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