CN105223709B - 一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光偏振态调制技术领域，更具体而言，涉及一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器；提供一种通光孔径大、视场角大、通光长度短、结构紧凑、相位延迟随调制电压可变和调制均匀的电光调制器；选用电光系数较大的电光单轴晶体作为通光晶体，利用电光晶体的纵向电光效应来制作电光调制器，采用双折射光程差值与电光晶体双折射光程差值互逆的单轴晶体来消除大视场角入射光可能引入的静态相位延迟，镀置透明电极并进行封装，配置的高压驱动可根据应用场合和欲对入射光达到的调制效果选择脉冲、方波、正弦或直流电压等输出模式灵活设计，为偏振光调制器件的设计提供新的理论和方法；本发明主要应用在脉冲激光光源、偏振成像和光通信等方面。

Description

一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器

技术领域

本发明涉及光偏振态调制技术领域，更具体而言，涉及一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器。

背景技术

通光介质，特别是一些光学晶体，在外加电场作用下折射率椭球发生改变而对入射光产生相位延迟的效应称之为电光效应，电光调制器是利用电光效应研制而成的光偏振态调制器件。按照折射率变化量与电场强度一次方或二次方成正比，分别称为一次电光效应(Pockels效应)或二次电光效应(Kerr效应)；按照施加的电场方向和通光方向平行或垂直，又分别称之为纵向电光效应和横向电光效应。电光调制器已被广泛应用于脉冲激光光源、偏振成像和光通信等领域。

近年来，对于电光调制器的通光孔径和视场角被逐渐提高应用要求，特别是在偏振成像方面的应用。横向电光调制器以KTP、LiTaO₃或LiNbO₃等为通光晶体，施加与通光方向垂直的电场，半波电压不仅与电光系数成反比，还与通光晶体的厚长比成正比。因此，当电光晶体材料选定时，横向电光调制器可以适当减小晶体厚度和增加晶体长度来获得较小的半波电压，但不可避免地造成该类型电光调制器通光孔径小，视场角小，通光长度较长等缺陷。纵向电光调制器以KDP、RDP或ADP等为通光晶体，施加与通光方向同向的电场，半波电压仅由电光系数决定。因此，有望设计出通光面积较大的电光调制器，但多数纵向电光调制器难以在通光晶体表面镀置透明电极。现阶段，设计加工的纵向电光调制器多加工为长圆柱，在圆柱两端采用环形电极来替代透明电极。上述几种电光调制器均不满足大通光孔径、大视场角、通光长度短和结构紧凑的应用需求。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种通光孔径大、视场角大、通光长度短、结构紧凑、相位延迟随调制电压可变的纵向电光调制器。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器，包括第一电极、电光晶体、第二电极、装持盒、高压驱动器和控制计算机，所述第一电极和第二电极的直径相同，且均大于电光晶体的直径，所述第一电极、电光晶体和第二电极依次紧贴装入装持盒内，所述第一电极和第二电极紧贴电光晶体的一面上均镀置有圆形氧化铟锡透明电极薄膜，外边缘处均镀置有环形导电铜浆，所述导电铜浆与氧化铟锡透明电极薄膜连接，所述氧化铟锡透明电极薄膜的直径大于电光晶体的直径且小于第一电极的直径，所述第一电极和第二电极上的导电铜浆均通过通电导线与高压驱动器连接，所述高压驱动器与控制计算机连接。

所述电光晶体选用电光系数较大的DKDP负单轴晶体作为电光晶体，Z切割DKDP圆形晶片，沿光轴Z通光，利用其纵向电光效应；所述第一电极选用MgF₂正单轴晶体作为基底，Z切割MgF₂圆形晶片，沿光轴Z通光，该晶片直径大于DKDP圆形晶片的直径，厚度与DKDP晶片厚度的比值等于波长入射光DKDP的双折射率差值和MgF₂的双折射率差值的比值；所述第二电极选用各向同性的石英玻璃作为基底，石英玻璃直径与MgF₂圆形晶片直径相同，厚度为2mm。

所述DKDP圆形晶片的直径为25mm，厚度为1.5mm，所述MgF₂圆形晶片的直径为27mm，厚度为5mm，氧化铟锡透明电极薄膜的直径为25.5mm，导电铜浆的圆环宽度为1.5mm，石英玻璃的折射率为1.46，入射光波长为632.8nm。

所述装持盒采用耐磨、抗蠕变、耐高温和击穿电压较高的绝缘材料尼龙来加工制作。

所述第一电极和第二电极分别通过折射率为1.47的光学凝胶与电光晶体紧贴，通过光学凝胶来耦合过渡，有效消除电极和电光晶体间可能形成的空气薄膜，提高调制器的透过率。

所述通电导线穿过装持盒与导电铜浆焊接，且与装持盒通过绝缘胶密封。

所述高压驱动器输出电压幅值范围为0～15KV，并且可根据应用场合和欲对入射光达到的调制效果选择脉冲、方波、正弦或直流电压输出模式，其输出模式及驱动输出电压值均由控制计算机编程可控。

所述电光调制器装调好后，未施加电场时，在针对设计的入射光波长入射时在较大视场角范围内相位延迟为0，不存在静态相位延迟。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1)本发明利用纵向电光效应来研制大通光孔径和大视场角的电光调制器，电光晶体采用目前纵向电光系数最大的DKDP，纵向电光系数r₆₃＝25pm/V，并且该类型电光晶体电光系数不会随入射光波长改变；

2)本发明设计的电光调制器，电光晶体为Z切割DKDP圆形晶片，并且透明电极镀置在基片上，两基片上镀置的圆形ITO膜直径大于DKDP晶片的直径，不仅保护DKDP晶片不受镀置电极造成的损害，还保证了DKDP晶片在其有效通光面内受均匀电场作用；

3)本发明设计的电光调制器，第一电极基片采用Z切割MgF₂圆形晶片，MgF₂为正单轴晶体，根据DKDP电光晶体厚度和两种晶体双折射率差值选择MgF₂圆形晶片厚度，可以有效补偿不同入射角度入射光通过DKDP电光晶体时造成的静态相位延迟；

4)本发明设计的电光调制器，两电极面和电光晶体间用折射率为1.47的光学凝胶来耦合连接，其折射率鉴于电光晶体和电极基底的折射率之间，光学凝胶层极薄，有效消除了电极面和电光晶体之间可能形成的空气薄膜，提高了电光调制器的透过率；

5)本发明设计的电光调制器，具有较大的通光孔径，不同视场角的入射光不存在静态的相位延迟。在较大视场角范围内，不施加调制电压时，入射光相位延迟为0；调制电压一定时，整个通光面内，不同视场角的入射光相位延迟相同；

6)本发明设计的电光调制器的装持盒采用绝缘材料尼龙来加工制作，具有耐磨、抗蠕变、耐高温和击穿电压较高等优点；

7)本发明的高压驱动器输出电压幅值范围为0～15kv，并且可根据应用场合和欲对入射光达到的调制效果选择脉冲、方波、正弦或直流电压等输出模式，输出模式及驱动输出电压值均由控制计算机编程可控。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为电极结构示意图；

图3为装持盒剖视图；

图4为DKDP垂直于光轴(z轴)平面内的折射率。

图中：1为第一电极、2为电光晶体、3为第二电极、4为装持盒、5为高压驱动器、6为控制计算机、7为氧化铟锡透明电极薄膜、8为为导电铜浆、9为通电导线、10为绝缘胶。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1-3所示，本发明提供了一种通光孔径大、视场角大、通光长度短、结构紧凑、相位延迟随调制电压可变和调制均匀的电光调制器，电光调制器的结构主要包括：第一电极1、电光晶体2、第二电极3、装持盒4、高压驱动器5、控制计算机6。

电光调制器的电光晶体选用DKDP晶体。DKDP属于四方晶系的晶类，晶轴Z轴为度轴，晶轴X轴和晶轴Y轴均为2度轴，为负单轴晶体，光轴沿晶轴Z轴方向。其电光系数矩阵为

其中，γ₄₁＝8.8pm/V，γ₆₃＝25pm/V。利用DKDP的纵向电光效应，我们Z切割DKDP晶片，沿光轴方向施加电场和通光，晶轴Z轴与空间坐标轴z轴重合，选取空间坐标轴x和y分别与晶轴X轴和Y轴重合，则电光晶体的折射率椭球表示为

其中，n_o和n_e分别表示折射率的两个本征值，E₃为沿z轴方向施加的电场强度。

将(2)式空间坐标绕z轴逆时针方向旋转45°，方程变化为

由(3)式可以看出施加纵向电场后，DKDP不再是单轴晶体，在垂直于z轴的平面内快轴和慢轴方向取x′和y′方向，与原坐标x和y方向呈45°，如附图4所示，施加纵向电场后，两折射率为

因此，对于厚度为l的DKDP在E₃电场作用下对波长为λ的入射光产生的相位延迟为

通常把相位延迟达到π时对应的电压称之为半波电压V_π，由(5)式可得该电光调制器的半波电压为

由(6)式可以看出，该类型电光调制器的半波电压仅由入射光波长λ、折射率n_o和电光系数γ₆₃决定。因此，只要施加的电场不至于将晶体击穿，该类型电光调制器能够加工得尽量薄，具有通光长度短，通光面积大和结构紧凑的优点，能够更好的运用于成像系统中。

以波长为632.8nm的入射光为例，DKDP晶体对于该波长的折射率n_o＝1.51和n_e＝1.47，其半波电压为3.67×10³V。对于具有一定视场角θ的入射光，根据文献[李克武，王志斌，张瑞，于慧.液晶可变延迟器的双折射色散研究[J]，中国激光，2015,42(1):0108001]，存在的静态相位延迟为

为了消除不同视场的入射光在相同调制电压下，整个通光面上调制不均匀的缺陷，第一电极的基底选择不具有旋光的MgF₂正单轴晶体，选用Z切割晶片，同样沿其光轴Z通光，其厚度d满足

(n_e′-n_o′)d+(n_e-n_o)l＝0 (8)

其中n_o′和n_e′分别表示MgF₂折射率的两个本征值，针对632.8nm的入射光，折射率n_o′＝1.377和n_e′＝1.389。当Z切割MgF₂晶片厚度d满足(8)式，第一电极能够有效补偿不同视场角入射光的静态相位延迟，使相同调制电压下，电光调制器对较大视场范围内入射光相位延迟相等。

在保证晶体不被击穿和加工精度的前提下，一般我们设计的纵向电光调制器，DKDP晶片的直径为25mm，厚度为1.5mm。针对632.8nm的入射光，第一电极基底MgF₂圆形晶片厚度为5mm刚好补偿不同视场角入射光存在的静态相位延迟。MgF₂圆形晶片直径为27mm，镀置的ITO透明电极薄膜的直径为25.5mm，外围镀置1.5mm的环形铜浆电极用于焊接导线，以便于施加调制电压。

第二电极基底选择各项同性的石英玻璃，其折射率为1.46，直径也为27mm，镀置和第一电极相同尺寸的ITO和铜浆电极。将两电极面涂覆折射率为1.47的光学凝胶，然后紧贴DKDP晶体，放入加工好的尼龙装持盒，电极板边缘与装持盒壁用绝缘胶进行密封。配置高压驱动电路，高压驱动器输出电压幅值范围一般为0～15kV，并且可选择脉冲、方波、正弦或直流电压等输出模式，并用计算机控制输出模式及交接驱动输出电压值。这样便完成了电光调制器的设计。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器，其特征在于：包括第一电极（1）、电光晶体（2）、第二电极（3）、装持盒（4）、高压驱动器（5）和控制计算机（6），所述第一电极（1）和第二电极（3）的直径相同，且均大于电光晶体（2）的直径，所述第一电极（1）、电光晶体（2）和第二电极（3）依次紧贴装入装持盒（4）内，所述第一电极（1）和第二电极（3）紧贴电光晶体（2）的一面上均镀置有圆形氧化铟锡透明电极薄膜（7），外边缘处均镀置有环形导电铜浆（8），所述导电铜浆（8）与氧化铟锡透明电极薄膜（7）连接，所述氧化铟锡透明电极薄膜（7）的直径大于电光晶体（2）的直径且小于第一电极（1）的直径，所述第一电极（1）和第二电极（3）上的导电铜浆（8）均通过通电导线（9）与高压驱动器（5）连接，所述高压驱动器（5）与控制计算机（6）连接；所述电光晶体（2）选用电光系数较大的DKDP负单轴晶体作为电光晶体，Z切割DKDP圆形晶片，沿光轴Z通光；所述第一电极（1）选用MgF₂正单轴晶体作为基底，Z切割MgF₂圆形晶片，沿光轴Z通光，该晶片直径大于DKDP圆形晶片的直径，厚度与DKDP晶片厚度的比值等于波长入射光DKDP的双折射率差值和MgF₂的双折射率差值的比值；所述第二电极（3）选用各向同性的石英玻璃作为基底，石英玻璃直径与MgF₂圆形晶片直径相同，厚度为2mm；所述第一电极（1）和第二电极（3）分别通过折射率为1.47的光学凝胶与电光晶体（2）紧贴。

2.根据权利要求1所述的一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器，其特征在于：所述DKDP圆形晶片的直径为25mm，厚度为1.5mm，所述MgF₂圆形晶片的直径为27mm，厚度为5mm，氧化铟锡透明电极薄膜（7）的直径为25.5mm，导电铜浆（8）的圆环宽度为1.5mm，石英玻璃的折射率为1.46，入射光波长为632.8nm。

3.根据权利要求1所述的一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器，其特征在于：所述通电导线（9）穿过装持盒（4）与导电铜浆（8）焊接，且与装持盒（4）通过绝缘胶（10）密封。

4.根据权利要求1所述的一种大通光孔径和大视场角的纵向电光调制器，其特征在于：所述高压驱动器（5）输出电压幅值范围为0~15KV，可选择脉冲、方波、正弦或直流电压输出模式，其输出模式及驱动输出电压值均由控制计算机（6）编程可控。