CN105607295A - 一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法。该方法是诱导光束(光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射电光晶体，利用光折变效应，在晶体内诱导产生具有相应光场分布的空间电荷场，实现对入射光束的偏转。通过改变诱导光束或/和外加电场的参数控制光束的偏转方向或/和角度。该技术可实现超快(纳秒级)、大角度、低电压的光束偏转，更满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要，特别适用于机载、星载平台。

Description

一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法
技术领域
本发明属于电光元器件的设计与制备领域，特别涉及一种新型的电控光偏转技术。
背景技术
基于电光效应的光偏转技术由于响应速度快、任意的偏转角、较小的体积、没有可移动部件、可靠性很高等特点，被认为最适合于实现超快(纳秒级)光束偏转技术，更满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要，是未来光偏转发展技术的主导方向之一，具有很大的应用前景。目前已提出的电光偏转方法有：
基于晶体棱镜型的偏转方法：通过将晶体切割成棱镜形的形状，如直角棱镜，从而使入射光束发生偏转。为了增大偏转角度，在LiTaO3、LiNbO3等晶体上，常采用多级级联晶体棱镜、级联畴反转晶体棱镜等方法。通过这种多级级联的方法，其偏转角度也仅为10-5rad左右，且所需的棱镜数目较多，制作工艺较为繁琐。
基于特殊电极结构型的偏转方法：通过在晶体表面设计特殊的电极结构，在电光晶体中形成垂直于光束传播方向的梯度电场。当平面波垂直入射时，发生偏转。常采用的电极结构，如圆柱电极结构、双曲面电极结构、凹圆形电极结构、超越曲面电极结构等，晶体有LiNbO3、KDP等。相比于基于晶体棱镜型的偏转方法，该偏转角度增大了一个数量级，但也仅达到了10-4rad，仍很小，且需要很高的外加电场，电极加工相对比较困难。
以上两种电光偏转方法均属于传统型的电光偏转器的范畴，偏转角度普遍较小。
基于电荷控制的新型电光偏转方法：2006年由日本的NTT光子实验室提出，该方法通过外电场在矩形的KTN晶体中注入电子(矩形均匀电极)，形成空间电荷分布，产生不均匀电场，基于Kerr效应在晶体内形成梯度折射率分布，使光束发生偏转。偏转角与电压的平方成正比，偏转方向平行于电场，可实现大角度低电压的扫描。该实验室已报道了在通光方向长5mm，厚度为0.5mm的KTN晶体中实现了250mrad(14.3°)偏转，外加电压只有±250V。基于LiTaO3晶体的电光偏转器用14200V/mm的外加电场，在15mm光程上使用10个棱镜形的晶体，才达到了这一指标。
目前，国内山东大学国家重点实验室基于KTN晶体，采用偏振方向与电场方向平行的激光束入射晶体，在千伏电压内实现了激光光束垂直于电场方向的75mrad偏转，实现了激光光束垂直电场方向偏转的扫描。华中科技大学光电国家实验室提出一种基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法。该方法是在矩形的KTN晶体上外加直流电场，使晶体内部电场呈梯度分布，从而使入射光束发生偏转。
发明内容
本发明提出一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法。利用诱导光束(光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射晶体，通过光折变效应，在晶体中诱导形成具有相应光场分布的空间电荷场，进而产生相应分布的折射率分布。对该晶体加载电压，平面平行光波垂直入射该晶体，发生偏转。通过改变诱导光束或/和外加电场的参数控制光束的偏转方向或/和角度。
本发明不同于以往的基于电诱导的空间电荷控制的光束偏转理论，而是通过不同的光场分布来诱导形成不同的空间电荷场，实现对光可编程的电控光束偏转，可实现纳秒级、大角度、低电压的光束偏转，为光偏转领域技术的研究提供了一种新的方法。
本发明方法的具体过程包括：
步骤一、诱导光束(光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射晶体，通过光折变效应，在晶体内中诱导产生相应光场分布的空间电荷场。光强具有线性梯度灰度分布的光束在晶体内形成具有棱镜形折射率分布，凸加速光束诱导晶体内形成凸加速(如Airy)传输通道。凸加速光束是指其轨迹描述为x＝azn或x＝b[ekz-1]，n＝2,3,4,…，a,b,k均为常数(如Airy光束，三次曲线光束)。对晶体加载电场，即开通加载电压系统，可增大其空间电荷场，从而增大折射率变化量。此处所述的线性梯度分布的诱导光束的产生方式不限，可以从光路中产生，也可用SLM产生。(1)从光路中产生。将激光器、扩束准直系统、反射镜等组成光路系统，产生诱导光束。设计并加工具有线性梯度灰度模板，将该模板放入光路系统中，平面光波垂直入射该模板，经该模板调制后的光场分布具有相应的线性梯度分布，作为诱导光束；(2)利用SLM产生。采用空间光调制器可以方便的生成具有不同强度分布特性的光场，用这种特殊设计的光场就能在晶体中产生特定的位相调制，这些特定的位相调制即能生成所需要的光束偏转的效果。光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速(如Airy)光束的产生均可以采用(2)。
步骤二、对上述电光晶体加载电压，平行光垂直入射该晶体，发生偏转；
步骤三、改变诱导光束参数或/和外加电场参数，操控光束的偏转角度或/和方向。如改变诱导光束偏振态、梯度分布(光强、梯度方向角)、凸加速(如Airy)光束参数，即可改变晶体内的折射率分布，从而改变偏转角度大小或/和方向；改变外加电场大小或/和方向，改变偏转角度大小或/和方向；改变环境温度、诱导光束的光强，改变偏转角度大小，实现偏转角度的控制。
附图说明
图1为本发明提出的一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法流程图；
图2为本发明提出的实施例光路结构图；
附图标记：1、第一激光器，2、扩束准直系统，3、反射镜，4、空间光调制器(SLM)，5、分光镜，6、Mn:Fe:KTN晶体，7、CCD，8、计算机，9、偏振片，10、电压加载系统，11、温度控制系统，12、第二激光器。
图3为本发明所设计的一种线性梯度光场分布实例。
具体实施方式
下面以图2所示的实验光路为例，阐述本发明方法的具体过程：
步骤一、
①诱导光束的产生
搭建图2所示的实验光路系统，包括激光器1，扩束准直系统2，反射镜3，SLM4，分光镜5，Mn:Fe:KTN晶体6，CCD7，计算机8，偏振片9，电压加载系统10，温度控制系统11。激光器1为波长λ＝532nm的半导体激光器，发出的激光束经扩束准直系统后变成平面光波，经反射镜3以12°斜入射SLM4。设计一具有线性梯度灰度分布函数，如I(x,y)＝xtanα，其中，梯度方向角tanα＝L/X，如图3所示。将该函数输入给SLM4，经SLM4的出射光波作为诱导光束，偏振片9使诱导光束为P偏振光。
②空间电荷场的形成
实验所用的晶体6为采用顶部籽晶助溶剂法生长的双掺杂的Mn:Fe:KTN晶体，其尺寸为3.4(x)×2.0(y)×0.94(z)mm3，居里温度为27℃。沿晶向[010]切割并光学抛光，在xz两表面镀银电极及导线，电场通过高压加载系统10沿y轴方向加载到晶体两表面，即调节温度控制系统11设置实验温度为30℃，使晶体处于顺电相。①所产生的诱导光束经分束镜5入射到晶体6上，基于光折变效应，在晶体内产生相应分布的空间电荷场，进而引起折射率的梯度分布，即具有棱镜形折射率分布。
步骤二、光束的偏转与测量
关闭激光器1，打开激光器12，激光器12可与激光器1相同，也可不同。激光器12发出的细光束经分光镜5后(可视为平行光)，垂直入射到折射率梯度分布的晶体6上发生偏转。此过程中保持电压加载系统10处于开通状态，CCD7记录并测量光束偏转角度的大小或/和方向。
步骤三、偏转角度和方向的控制
改变诱导光束的偏振态(如TM模式、TE模式)、梯度分布参数(如梯度方向角)等，即可改变晶体内的折射率分布，从而改变光束偏转的角度大小或/和方向。
调节电压加载系统10改变加载电压的大小或/和方向、调节温度控制系统11改变晶体所处的温度、调节激光器1的功率来改变写入光强大小，即可改变光束偏转的角度大小或/和方向。

Claims (3)

1.一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、诱导光束照射晶体，通过光折变效应，在晶体内中诱导产生相应光场分布的空间电荷场；其中诱导光束为光强具有线性梯度灰度分布的光束、凸加速光束；光强具有线性梯度灰度分布的光束在晶体内形成具有棱镜形折射率分布，凸加速光束诱导晶体内形成相应的弯曲通道；
步骤二、对上述的晶体加载电场，平行光垂直入射该晶体，发生偏转；
步骤三、改变诱导光束参数或/和外加电场参数，从而改变偏转角度大小或/和方向，实现偏转角度或/和方向的控制。
2.如权利要求1所述的纳秒级光可编程的电控光偏转方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括对晶体加载电场，以增大其空间电荷场，从而增大折射率变化量。
3.如权利要求1所述的纳秒级光可编程的电控光偏转方法，其特征在于，所述步骤三中，还包括连续改变晶体所加载的电场，实现非机械性扫描。
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