CN107024452B - 一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法，涉及微结构制作技术领域。一种光折变材料微区折射率的实时调控装置包括：激光器(1)、起偏器、电光调制器、NPBS、光学整形器(1)、样品、三维平移台、光学整形器(2)、电子快门、激光器(2)、检偏器、光电探头、锁相放大器、计算机。本发明的装置及方法可对光折变微区折射率进行实时调控，可精确制作光折变微结构。光折变微结构可在光开关、光互连以及光路由等光子器件制备方面有广阔应用前景。

Description

一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法
技术领域
本发明涉及微结构制作技术领域，尤其涉及一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法。
背景技术
目前利用光折变材料可制作光栅、滤波器等光学元器件。在光折变微结构制作领域，一般通过非均匀的激光照射来制作光折变微结构，例如激光干涉以及激光直写技术。
王俊俏(一种光诱导光折变晶体表面微结构的方法，专利公开号：CN 101414090A)选用光折变晶体进行非均匀光照射形成空间电荷场，从而对微纳颗粒进行吸附形成与空间电荷场分布对应的微结构，但该专利未涉及折射率微结构的调控。
张爱玲(利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置及方法，专利公开号：CN104199144 A)利用飞秒激光器在铌酸锂晶体上刻写光栅，虽然结构简单，刻写灵活，但采用飞秒激光一方面成本高昂，而且还容易引起晶体结构的破坏。此外，该专利也未涉及微区折射率的实时检测及调整。
综上所述，以上技术均未对光折变材料微区折射率进行实时检测及调整，难以精确制作光折变微结构。
发明内容
针对上述内容，本发明目的在于提出一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法，解决现有技术不能实时检测及调整光折变材料微区折射率并精确制作光折变微结构的问题。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种光折变材料微区折射率的实时调控装置，该装置按照第一激光器1、起偏器2、电光调制器3、第一NPBS 4、第一光学整形器5、样品6、三维平移台7、第二NPBS 8、背景光源9、第二光学整形器10、电子快门11、第二激光器12、第三NPBS 13、滤波器14、CCD相机15、检偏器16、光电探头17、锁相放大器18、计算机19依次连接在钢性支架20上。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控装置的一种优选方案，所述制作系统包括：第一激光器1、第一光学整形器5、样品6、三维平移台7、第二NPBS 8、背景光源9、第三NPBS 13、滤波器14、CCD相机15。采用CCD相机对第一光学整形器5聚焦位置进行观测定位，然后打开第一激光器1，通过光折变效应在样品微区产生折射率变化。同时该光束所携带的折射率信息经由探测光路检出，用于样品微区折射率变化的实时检测，并结合擦除系统完成微区折射率的实时调整。通过电动三维平移台移动样品，以逐点扫描的方式实现光折变材料表面及内部的微区折射率三维精确控制。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控装置的一种优选方案，所述擦除系统包括：样品6、三维平移台7、第二光学整形器10、电子快门11、第二激光器12。采用355nm紫外第二激光器12经第二光学整形器10对材料微结构的折射率进行择性擦除，以便于微区折射率的重新调控。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的一种优选方案，所述采用电光调制器对信号光进行调制，使得测量更加准确。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的一种优选方案，所述采用光学整形器，控制聚焦光斑的尺寸和形状。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的一种优选方案，所述起偏器和检偏器采用格兰泰勒棱镜，消光比可达100000∶1。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的一种优选方案，所述起偏器与X轴成45°，电光调制器为90°，样品光轴方向为45°，检偏器为90°。
作为上述一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的一种优选方案，所述第一激光器1的波长为632.8nm，第二激光器12的波长为355nm。
所述系统中各个光学元器件进行矫正时，必须保证探测激光束与光学元器件的垂直。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的装置及方法可对光折变微区折射率进行实时调控，即入射光束通过光折变效应引起样品微区折射率发生改变；同时该光束相位被局域折射率波动所调制，其携带的折射率信息经由探测光路检出，用于微区折射率变化的实时检测，并结合擦除系统实现样品微区折射率变化的实时调整。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的一种光折变材料微区折射率的实时调控装置结构示意图。
图2为本发明具体实施方式提供的一种光折变材料微区折射率的实时调控装置稳定性测量图
图3为本发明具体实施方式(实施例1)提供的一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的单点折射率光信号测量图。
图4为本发明具体实施方式(实施例2)提供的一种光折变材料微区折射率的实时调控方法的单点测量过程中进行擦除时折射率光信号测量图。
图5为本发明具体实施方式(实施例3)提供的一种光折变材料微区折射率的实时调控方法在对样品整体进行扫描测试时，得到的三维立体折射率波动分布图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明实施方式保护本发明公开了一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法，本发明装置按照：第一激光器1、起偏器2、电光调制器3、第一NPBS 4、第一光学整形器5、样品6、三维平移台7、第二NPBS 8、背景光源9、第二光学整形器10、电子快门11、第二激光器12、第三NPBS 13、滤波器14、CCD相机15、检偏器16、光电探头17、锁相放大器18、计算机19依次连接在钢性支架20上。
本发明实施方式还保护一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法。激光器光源发出激光后通过45°起偏器，本发明所使用的起偏器与检偏器为格兰泰勒棱镜，消光比可达到100000∶1。信号光经铌酸锂横向电光调制器调制。当光在样品上反射时，o光和e光会有不同的折射率，并产生一定的相位差δ，根据公式：
δ为相位延迟量，d为样品厚度，Δn为折射率之差，λ为激光器波长。通过测量相位差可测得折射率的变化。
为了保证聚焦位置的准确性，通过CCD相机的观测定位，准确判断光折变微结构在光折变材料中的位置。而为了确保系统的稳定性，首先以反光镜为样品对反射光进行探测，探测结果如图2所示，由此可见系统误差小于±1％。在以光折变材料为样品时，锁相放大器对信号光进行检波处理，得到特定频率的信号输入计算机进行计算和画图。
整个系统中，以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。起偏器与X轴成45°，上述系统运用斯托克斯矢量和弥勒矩阵分析较为方便。起偏器的斯托克斯矢量为：
上式中I0为起偏器出射光束的光强。
对应电光调制器中的铌酸锂采用Z轴通光，竖直方向为Y轴，水平方向为X轴。在调制器Y方向加电场，则电光调制器的弥勒勒矩阵为：
上式中Ф为电光调制器的相位调制幅值，ω为电光调制器的调制频率。
样品C轴方向与X成45°方向，其反射弥勒矩阵为：
其中ro和re分别为寻常光和非寻常光的反射光矢量振幅比，δ为样品产生的相位差。
检偏器与X轴成90°，其弥勒矩阵为：
各个元器件进行校准定位后忽略元件的光损失，探测器探测到光强的斯托克斯矢量为：
即探测到的光强为：
将上式中的sin(Фsinωt)、cos(Фsinωt)展开如下：
sin(Фsinωt)＝2J1(Ф)sinωt+2J3(Ф)sin 3ωt+…
cos(Фsinωt)＝J0(Ф)+2J2(Ф)cos 2ωt+2J4(Ф)cos 4ωt…
其中Jn是n阶贝塞尔函数，忽略3阶及以上的高阶贝塞尔级数，则：
提出一倍频得到：
本发明通过计算分析，对一倍频信号进行提取可计算出光折变引起折射的变化。
本发明整个测量过程为：首先对各个光学元器件进行正确摆放保证同轴，打开第一激光器1，调节第一光学整形器5获得所需的光斑尺寸和形状。通过对三维平移台的移动确定合适的聚焦位置(光折变材料表面或内部)开始该位置折射率的实时调控。在该过程中，根据一倍频曲线的变化实时测量折射率波动。可调节第二光学整形器10并适时打开电子快门对特定微区折射率进行选择性部分擦除，以完成该位置的折射率调控。通过电动三维平移台移动样品，以逐点扫描的方式重复上述步骤，实现光折变材料表面及内部的微区折射率三维精确控制。调控完成后使用功率小于40μW的弱光对样品整体进行扫描测试，得到三维立体折射率空间分布图。
激光器要求其波长为632.8nm，单色性小于±1nm，起偏器与检偏器消光比大于5000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为小于10μm，电光调制器频率ω大于200Hz，样品为光折变材料。
综上所述，考虑到各个元件成本和精度要求，其零部件的优选范围为：激光器要求其波长为632.8nm，单色性小于±1nm，起偏器与检偏器消光比大于10000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为小于1μm，电光调制器频率ω为10kHz，样品为光折变材料。
下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围
实施例1
设计一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法，各个光学元器件参数配置如下，激光器要求其波长为632.8nm，单色性小于±1nm，起偏器与检偏器消光比为20000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为1μm，电光调制器两频率ω为10kHz，样品为铌酸锂晶体。对铌酸锂进行单点折射率测量时，折射率波动曲线如图3(b)所示。
实施例2
设计一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法，各个光学元器件参数配置如下，激光器要求其波长为632.8nm，单色性小于±1nm，起偏器与检偏器消光比为20000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为1μm，电光调制器两频率ω为10kHz，样品为铌酸锂晶体。对铌酸锂进行单点折射率进行实时调控时，折射率波动曲线如图4所示。
实施例3
设计一种光折变材料微区折射率的实时调控装置及方法，各个光学元器件参数配置如下，激光器要求其波长为632.8nm，单色性小于±1nm，起偏器与检偏器消光比为20000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为1μm，电光调制器两频率ω为10kHz，样品为钽酸锂晶体。使用功率小于40μW的弱光对样品整体进行扫描测试，得到三维立体折射率波动分布图，如图5所示。
利用本发明的装置和方法，所得图3(a)、(b)为单点照射折射率波动曲线和之对应光信号测量曲线，由此可以看出折射率大小变化约为5×10-4。从图4可以看出，当采用紫外激光器对微区折射率进行擦除时，光信号随时间会呈现近似对称变化。图5为光折变微结构四点阵列图，点的尺寸约为50μm，折射率分辨率约为1×10-6，满足微结构制作的尺寸要求和精度要求。
以上所述具体事例对本发明的技术方案，实施办法做了进一步的详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光折变材料微区折射率的实时调控装置，其特征在于，第一激光器(1)、起偏器(2)、电光调制器(3)、第一NPBS(4)、第一光学整形器(5)、样品(6)、三维平移台(7)、第二NPBS(8)、背景光源(9)、第二光学整形器(10)、电子快门(11)、第二激光器(12)、第三NPBS(13)、滤波器(14)、CCD相机(15)、检偏器(16)、光电探头(17)、锁相放大器(18)、计算机(19)依次连接在钢性支架(20)上，装置采用CCD相机对第一光学整形器(5)聚焦位置进行观测定位，然后打开第一激光器(1)，依次通过起偏器(2)、电光调整器(3)、第一NPBS(4)、第一光学整形器(5)，通过光折变效应在样品微区产生折射率变化，同时该光束携带的折射率信息通过由第三NPBS(13)、检偏器(16)、光电探头(17)、锁相放大器(18)、计算机(19)等组成的探测光路检出，由于样品微区折射率变化的实时检测，并结合由样品(6)、三维平移台(7)第二光学整形器(10)、电子快门(11)、第二激光器(12)等组成的擦除系统，采用第二激光器(12)经第二光学整形器(10)对材料微结构的折射率进行选择性擦除，完成微区折射率的实时调整。
2.根据权利要求1所述的一种光折变材料微区折射率的实时调控装置，其特征在于，入射光束通过光折变效应引起样品微区折射率发生改变；同时该光束相位被局域折射率波动所调制，其携带的折射率信息经由探测光路检出，用于微区折射率变化的实时检测，并结合擦除系统实现样品微区折射率变化的实时调整。
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