CN109375448A - 一种基于频率上转换技术的偏振控制器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率上转换技术的偏振控制器及其工作方法，采用泵浦单元产生功率可调的泵浦激光并通过线偏振单元将其调节为线偏振光，信号源发出的信号光通过圆偏振单元将其调节为圆偏振光；然后将所述线偏振光与所述圆偏振光入射到频率上转换单元产生上转换光，并通过控制所述泵浦激光的功率以控制进行频率上转换的所述线偏振光的功率；最后将所述频率上转换单元的出射光束进行相位补偿并过滤得到椭圆偏振信号光。本发明的优点是：通过控制泵浦激光的功率可实现将入射的圆偏振光调节为任意椭圆离心率的椭圆偏振光，并在最大转换功率下输出线偏振光，且在偏振调节控制过程中入射信号光与输出的信号光共线传播，不会改变传播方向。

Description

一种基于频率上转换技术的偏振控制器及其工作方法

技术领域

本发明涉及偏振控制技术领域，具体涉及一种基于频率上转换技术的偏振控制器及其工作方法。

背景技术

波在传播过程中，波的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是一种电磁波，光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。

近年来对于光的偏振的研究愈益深入，其应用也广泛渗透到通讯、生物、化学和天文等诸多学科领域，如高速光通信系统中的偏振复用技术，生物荧光发射，手性分子分析，激光测距与远距离成像等，尤其是基于偏振控制的光纤通讯技术，在当代社会的生产和生活方面具有无可替代的重大应用。然而，目前广泛使用的偏振控制器件中，在精确调节椭圆偏振光的椭圆离心率方面仍处于空白。

椭圆偏振光指的是在光的传播方向上，任意一个场点的电矢量既改变它的大小，又以角速度ω (即光波的圆频率)均匀地转动它的方向，电矢量的端点在波面内描绘出一个椭圆。而圆偏振光指的是在光的传播方向上，任意一个场点的电矢量以角速度ω匀速地转动它的方向，但大小不变。实际上圆偏振光是椭圆偏振光的一个特例。

椭圆偏振光可由两列频率相同，振动方向相互垂直，且沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。在光波沿z方向传播的情况下，便有：

，

，

E_x和E_y分别为两列线偏振光的电矢量，A_x和A_y分别为对应的振幅，k是波矢，是两列线偏振光的相位差。在不考虑光波振荡周期的情况下，可得到

，

电矢量端点的轨迹与以E_x=±A_x和E_y=±A_y为界的矩形框相内切，如图8所示；

一般来说，它的主轴（长轴或短轴）与x轴构成α角，α值可以由下式求出：

，

对于圆偏振光，A_x=A_y=A₀，可将其视为偏振方向分别平行x轴和y轴、相位差为±π/2的线偏振光的叠加。以右旋圆偏振光为例：

。

目前可用于获得椭圆偏振光的器件有λ/4波片和布儒斯特片等。λ/4波片对应的相位延迟为π/2，当一束线偏振光通过λ/4波片时，若偏振方向与波片快（慢）轴有一定夹角，则透过的光变为椭圆偏振光，但圆偏振光入射时，出射光是线偏振光，而不能产生椭圆偏振光。布儒斯特片是一种以布儒斯特角安装的石英片，常用在激光器的谐振腔内，光束通过布儒斯特片时P偏振分量无损耗，而S偏振分量会部分反射，当圆偏振信号通过布儒斯特片透射光变为椭圆偏振光，但其离心率无法调节，且传播方向会发生一定平移，无法实现信号的共线传输。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种基于频率上转换技术的偏振控制器及其工作方法，通过将圆偏振信号光与泵浦激光一起入射到非线性晶体中，利用非线性晶体的偏振选择性，并通过控制泵浦激光的功率将入射的圆偏振信号光转变为椭圆离心率可精确控制的椭圆偏振光，且转变前后的两束光仍保持共线传播，不会改变传播方向。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器包括：

泵浦单元，用于产生频率上转换过程中所需的功率可调的泵浦激光；

线偏振单元，连接所述泵浦单元，用于接收所述泵浦激光并使之偏振产生线偏振光；

圆偏振单元，连接信号源，用于接收所述信号源发出的信号光并使之偏振产生圆偏振光；

频率上转换单元，分别连接所述线偏振单元和所述圆偏振单元，用于接收所述线偏振光和所述圆偏振光并使之进行频率上转换；

相位补偿与滤波单元，连接所述频率上转换单元，用于对所述频率上转换单元的出射光束进行相位补偿并过滤得到椭圆偏振信号光。

所述泵浦单元包括激光驱动电源和半导体激光器，所述激光驱动电源激励所述半导体激光器使其产生激光。

所述线偏振单元包括第一起偏器。

所述圆偏振光单元包括第二起偏器和四分之一波片。

所述频率上转换单元包括：

二向色镜，用于将所述线偏振光和所述圆偏振光进行合束得到合束光；

消色差凸透镜，光路连接所述二向色镜，用于对所述合束光聚焦并消色差；

非线性晶体，用于使所述合束光中满足相位匹配条件的光进行频率上转换；

温度控制模块，用于控制所述非线性晶体的温度。

所述相位补偿与滤波单元包括连续补偿器和滤波片组。

所述非线性晶体可以是LiNbO₃晶体、KTiOPO₄晶体、周期性极化LiNbO₃晶体、周期性极化KTiOPO₄晶体中任意一种。

一种涉及权利要求1-7中任一所述的基于频率上转换技术的偏振控制器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：

步骤S1：泵浦单元产生功率可调的泵浦激光并通过线偏振单元将其调节为线偏振光，信号源发出的信号光通过圆偏振单元将其调节为圆偏振光；

步骤S2：将所述线偏振光与所述圆偏振光入射到频率上转换单元使之进行频率上转换，并通过控制所述泵浦激光的功率以控制进行频率上转换的所述线偏振光的功率；

步骤S3：将所述频率上转换单元的出射光束进行相位补偿并过滤得到椭圆偏振信号光。

所述步骤S2中，具体采用如下方案实现频率上转换并控制所述椭圆偏振光的所述椭圆离心率：

步骤S21：利用二向色镜将所述线偏振光和所述圆偏振光进行合束得到合束光，将所述合束光通过消色差凸透镜汇聚到非线性晶体中；

步骤S22：使所述圆偏振光中的o光偏振分量或e光偏振分量与所述线偏振光满足相位匹配条件，从而使所述o光偏振分量或所述e光偏振分量与所述线偏振光在所述非线性晶体中进行频率上转换，通过控制所述泵浦激光的功率以控制进行频率上转换的所述o光偏振分量或所述e光偏振分量的转换效率，从而控制所述椭圆偏振信号光的椭圆离心率。

所述步骤S22中，使所述圆偏振光中的o光偏振分量或e光偏振分量与所述线偏振光在所述非线性晶体中满足相位匹配条件的方法通过下列三种方案中的任意一种实现：

a. 所述圆偏振光和所述线偏振光均以e光偏振方向入射到周期极化负单轴晶体，以构成准相位匹配；

b. 所述圆偏振光和所述线偏振光均以o光偏振方向入射到负单轴晶体，或所述圆偏振光和所述线偏振光均以e光偏振方向入射到正单轴晶体，以构成第一类相位匹配；

c. 所述圆偏振光以o光偏振方向、所述线偏振光以e光偏振方向一起入射到负单轴晶体，或所述圆偏振光以o光偏振方向、所述线偏振光以e光偏振方向一起入射到正单轴晶体，以构成第二类相位匹配。

本发明的优点是：通过控制泵浦激光的功率可实现将入射的圆偏振光调节为任意椭圆离心率的椭圆偏振光，并在最大转换功率下输出线偏振光，且在偏振调节控制过程中入射信号光与输出的信号光共线传播，不会改变传播方向。

附图说明

图1为本发明中基于频率上转换技术的偏振控制器的结构示意图；

图2为本发明中得到的椭圆偏振光的椭圆离心率e与频率上转换的转换效率的对应关系示意图；

图3为本发明中得到的椭圆偏振光的椭圆离心率e与归一化泵浦强度的对应关系示意图；

图4为本发明中频率上转换的转换效率=0时输出的椭圆偏振光的椭圆离心率e的示意图；

图5为本发明中频率上转换的转换效率=50%时输出的椭圆偏振光的椭圆离心率e的示意图；

图6为本发明中频率上转换的转换效率=75%时输出的椭圆偏振光的椭圆离心率e的示意图；

图7为本发明中频率上转换的转换效率=100%时输出的椭圆偏振光的椭圆离心率e的示意图；

图8为本发明背景技术中电矢量端点的轨迹与以E_x=±A_x和E_y=±A_y为界的矩形框相内切的示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-8，图中标记1-16分别为：泵浦单元1、线偏振单元2、第一起偏器3、信号源4、圆偏振单元5、第二起偏器6、四分之一波片7、频率上转换单元8、二向色镜9、消色差凸透镜10、温度控制模块11、非线性晶体12、凸透镜13、相位补偿与滤波单元14、连续补偿器15、滤波片组16。

实施例：如图1-7所示，本实施例具体涉及一种基于频率上转换技术的偏振控制器及其工作方法，该偏振控制器包括泵浦单元1、线偏振单元2、圆偏振单元5、频率上转换单元8和相位补偿与滤波单元14，泵浦单元1发射出功率可调的泵浦激光并通过线偏振单元2调节为线偏振光，信号源4发出的信号光通过圆偏振单元5调节为圆偏振光，该线偏振光和圆偏振光在频率上转换单元8中发生频率上转换，并通过相位补偿与滤波单元14后输出椭圆离心率可调的椭圆偏振光。

如图1所示，偏振控制器中的泵浦单元1包括激光驱动电源和半导体激光器，半导体激光器具有体积小、寿命长的优点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，激光驱动电源驱动半导体激光器产生功率可连续调节的泵浦激光，该泵浦激光的波长根据信号源4发出的信号光波长来选择；泵浦单元1通过光路与线偏振单元2连接，线偏振单元2中包含第一起偏器3，第一起偏器3可将入射光变为线偏振光，当泵浦激光输入到线偏振单元2后由第一起偏器3使其偏振得到线偏振光；圆偏振单元5与信号源4之间通过光路连接，圆偏振单元5内包括第二起偏器6和四分之一波片7，第二起偏器6同样可将入射光变为线偏振光，而四分之一波片7具有当入射光法向入射透过时会发生双折射现象的特点，其中，寻常光（即o光）和非常光（即e光）之间的相位差等于π/2或其奇数倍，当信号源4发出的信号光入射到圆偏振单元5后，第二偏振器6和四分之一波片7两者互相配合将信号光转变为圆偏振光。

如图1所示，偏振控制器中的频率上转换单元8分别与线偏振单元2以及圆偏振单元5的输出端连接，频率上转换单元8包括二向色镜9、消色差凸透镜10、温度控制模块11、非线性晶体12和凸透镜13；其中，二向色镜9、消色差凸透镜10、非线性晶体12和凸透镜13依次光路连接，二向色镜9可将入射的圆偏振光和线偏振光进行合束，并过滤掉其他波长的光得到合束光；消色差凸透镜10对入射光具有色差校正作用，合束光入射到消色差凸透镜10后可消除其色差并汇聚到非线性晶体12中；非线性晶体12又叫非线性光学晶体，可对入射激光强电场显示二次以上非线性光学效应，非线性晶体12的横截面积大于入射的合束光的横截面积，确保入射的合束光可全部进入到非线性晶体12中，且非线性晶体12的入射面和出射面均镀覆有光增透膜，增强入射的合束光透过的能力，且当入射的合束光中的圆偏振光的某一偏振分量和线偏振光满足相位匹配条件时两者可进行频率上转换产生上转换光，本实施例中的非线性晶体12可以是LiNbO₃晶体、KTiOPO₄晶体、周期性极化LiNbO₃晶体、周期性极化KTiOPO₄晶体中任意一种，当然也可以是使圆偏振光和线偏振光符合相位匹配条件产生频率上转换的其他非线性晶体；而温度控制模块11包括晶体加热炉以及驱动电源，驱动电源驱动晶体加热炉对放置于其中的非线性晶体12进行加热，并实时监测控制非线性晶体12工作时的温度使其保持恒定，非线性晶体12工作所需的温度由信号光以及泵浦激光的波长决定。

如图1所示，偏振控制器中的相位补偿与滤波单元14与频率上转换单元8光路连接，相位补偿与滤波单元14包括连续补偿器15和滤波片组16，连续补偿器15可补偿入射光在非线性晶体12中双折射时引起的o光和e光的相位差，频率上转换单元8的出射光束经过连续补偿器15后相位得到补偿，并通过高效的滤波片组16阻挡泵浦光等其他无关光而得到所需要的椭圆偏振光。

如图1所示，本实施例中基于频率上转换技术的偏振控制器的工作方法包括以下步骤：

（1）泵浦单元1中的激光驱动电源驱动半导体激光器产生功率可连续调节的泵浦激光，并根据信号源4发出的信号光波长来选择泵浦激光的波长，泵浦激光入射到线偏振单元2并由第一起偏器3使其偏振得到线偏振光；

（2）信号源4发出的信号光入射到圆偏振单元5，圆偏振单元5中的第二偏振器6和四分之一波片7两者互相配合将信号光转变为圆偏振光；

（3）线偏振光和圆偏振光入射到频率上转换单元8中，由其中的二向色镜9将入射的线偏振光和圆偏振光进行合束得到合束光，合束光入射到消色差凸透镜10中消除其色差并汇聚到非线性晶体12中心，温度控制模块11中的驱动电源驱动晶体加热炉对其中的非线性晶体12进行加热，并使其保持恒定的工作温度，非线性晶体12的工作温度根据信号光和泵浦激光的波长共同决定；

（4）使入射到非线性晶体12的合束光中的圆偏振光中的o光偏振分量或e光偏振分量与线偏振光满足相位匹配条件，从而使o光偏振分量或e光偏振分量与线偏振光在非线性晶体12中进行频率上转换产生上转换光。

其中，可采用如下三种方案使圆偏振光中的o光偏振分量或e光偏振分量与线偏振光在非线性晶体12中满足相位匹配条件：

a.圆偏振光和线偏振光均以e光偏振方向入射到周期极化负单轴晶体，产生的上转换光以e光偏振方向出射，以构成准相位匹配；

b.圆偏振光和线偏振光均以o光偏振方向入射到负单轴晶体，产生的上转换光以e光偏振方向出射，或圆偏振光和线偏振光均以e光偏振方向入射到正单轴晶体，产生的上转换光以o光偏振方向出射，以构成第一类相位匹配；

c.圆偏振光以o光偏振方向、线偏振光以e光偏振方向一同入射到负单轴晶体，产生的上转换光以e光偏振方向出射，或圆偏振光以o光偏振方向、线偏振光以e光偏振方向一同入射到正单轴晶体，以构成第二类相位匹配。

上述的周期极化负单轴晶体、负单轴晶体、正单轴晶体均为非线性晶体12具体选用的某一晶体类型。

在非线性晶体12中发生频率上转换的圆偏振光的o光偏振分量或e光偏振分量的转换效率与泵浦激光的功率有关，具体的，以满足准相位匹配条件发生的频率上转换为例，圆偏振光和线偏振光均以e光偏振方向入射到负单轴晶体中，圆偏振光中的e光偏振分量的偏振方向与负单轴晶体的光轴垂直，则e光偏振分量可以利用负单轴晶体的高非线性系数实现一定转换效率的频率上转换，而圆偏振光中的o光偏振分量的偏振方向与负单轴晶体的光轴平行，且与线偏振光的偏振方向垂直，因此不会参与频率上转换，其电场矢量振幅始终保持不变，设为圆偏振光中满足相位匹配条件的e光偏振分量的转换效率，e为偏振控制器产生的椭圆偏振信号光的椭圆离心率，为泵浦单元1输出泵浦激光的实际功率，则椭圆离心率e对应e光转换效率的关系可以表示为：

其中，为o光偏振分量的电场矢量振幅，为e光偏振分量的电场矢量振幅，圆偏振光的o光偏振分量和e光偏振分量的电场矢量振幅相等，均为；

同时，e光转化效率与对应输入的泵浦激光的功率存在以下关系：

其中，表示实现100%转换效率所需的泵浦激光的功率，因此，可以得到椭圆离心率e对应输入的泵浦激光的功率的关系式为：

其中，称为归一化泵浦强度。

因此，本实施例中的偏振控制器可以通过控制泵浦单元1发出的泵浦激光的功率来实现对出射的椭圆偏振信号光的椭圆离心率的精确控制。

（5）从非线性晶体12中出射的光束入射到相位补偿与滤波单元14中，经过连续补偿器15后相位得到补偿，并通过高效的滤波片组16阻挡泵浦激光、噪声等其他无关光而得到所需要的椭圆偏振光。

如图1-7所示，本实施例以满足准相位匹配的圆偏振光和线偏振光为例以进一步说明偏振控制器的工作原理：

（1）泵浦单元1选用Nd：YAG连续激光器产生波长为1064nm的功率在0-1000mW之间连续可调的泵浦激光，泵浦激光经过采用格兰棱镜作为第一起偏器3的线偏振单元2后调节为竖直线偏振光；

（2）采用激光二极管作为信号源4产生1550nm的信号光，信号光经过由格兰棱镜和四分之一波片组成的圆偏振单元5后调节为圆偏振光；

（3）竖直线偏振光和圆偏振光通过二向色镜9合束，由消色差凸透镜10将圆偏振光和竖直线偏振光均以e光偏振方向入射汇聚到周期极化铌酸锂晶体的中心，调节温度使得圆偏振光的o光偏振分量或e光偏振和竖直线偏振光满足准相位匹配关系，在周期极化铌酸锂晶体中进行频率上转换，部分圆偏振光转换到622nm；

（4）在周期极化铌酸锂晶体中，由于圆偏振光中的e光偏振分量的偏振方向与竖直线偏振光的偏振方向相同，且与负单轴晶体的光轴垂直，则e光偏振分量可以利用负单轴晶体的高非线性系数实现一定转换效率的频率上转换，而圆偏振光中的o光偏振分量的偏振方向与负单轴晶体的光轴平行，且与竖直线偏振光的偏振方向垂直，因此不会参与频率上转换，仍保持原来的强度，控制泵浦激光的功率大小以控制圆偏振光中e光偏振分量的转换效率，从而调节所需的椭圆偏振信号光的椭圆离心率，椭圆离心率e与e光转化效率的关系如图2所示，椭圆离心率e与归一化泵浦强度的关系如图3所示；

（5）将周期极化铌酸锂晶体出射的光束经过凸透镜变为平行光，然后通过连续补偿器15补偿周期极化铌酸锂晶体的双折射引起的o光偏振分量和e光偏振分量的相位差，最后经过一组高效的滤波片组16阻挡所有的泵浦激光、和频光以及其他噪声，得到最终的椭圆偏振信号光，椭圆偏振信号光进过一可旋转检偏器后使用PM-100功率计来测量输出功率，并绘制椭圆偏振信号光的示意图，图4- 7分别为转换效率时的椭圆偏振信号光的椭圆离心率示意图，可以看出，当转换效率时，圆偏振光在周期极化铌酸锂晶体中不进行频率上转换，保持不变，当转换效率时，圆偏振光经过周期极化铌酸锂晶体后变为线偏振光。

本实施例的有益效果是：通过控制泵浦激光的功率可实现将入射的圆偏振光调节为任意椭圆离心率的椭圆偏振光，并在最大转换功率下输出线偏振光，且入射的信号光与输出的信号光共线传播，不会改变传播方向。

Claims (10)

1.一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器包括：

泵浦单元，用于产生频率上转换过程中所需的功率可调的泵浦激光；

线偏振单元，连接所述泵浦单元，用于接收所述泵浦激光并使之偏振产生线偏振光；

圆偏振单元，连接信号源，用于接收所述信号源发出的信号光并使之偏振产生圆偏振光；

频率上转换单元，分别连接所述线偏振单元和所述圆偏振单元，用于接收所述线偏振光和所述圆偏振光并使之进行频率上转换；

相位补偿与滤波单元，连接所述频率上转换单元，用于对所述频率上转换单元的出射光束进行相位补偿并过滤得到椭圆偏振信号光。

2.根据权利要求1所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于所述泵浦单元包括激光驱动电源和半导体激光器，所述激光驱动电源激励所述半导体激光器使其产生激光。

3.根据权利要求1所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于所述线偏振单元包括第一起偏器。

4.根据权利要求1所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于所述圆偏振光单元包括第二起偏器和四分之一波片。

5.根据权利要求1所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于，所述频率上转换单元包括：

二向色镜，用于将所述线偏振光和所述圆偏振光进行合束得到合束光；

消色差凸透镜，光路连接所述二向色镜，用于对所述合束光聚焦并消色差；

非线性晶体，用于使所述合束光中满足相位匹配条件的光进行频率上转换；

温度控制模块，用于控制所述非线性晶体的温度。

6.根据权利要求1所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于所述相位补偿与滤波单元包括连续补偿器和滤波片组。

7.根据权利要求1所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器，其特征在于所述非线性晶体可以是LiNbO₃晶体、KTiOPO₄晶体、周期性极化LiNbO₃晶体、周期性极化KTiOPO₄晶体中任意一种。

8.一种涉及权利要求1-7中任一所述的基于频率上转换技术的偏振控制器的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：

步骤S1：泵浦单元产生功率可调的泵浦激光并通过线偏振单元将其调节为线偏振光，信号源发出的信号光通过圆偏振单元将其调节为圆偏振光；

步骤S2：将所述线偏振光与所述圆偏振光入射到频率上转换单元使之进行频率上转换，并通过控制所述泵浦激光的功率以控制进行频率上转换的所述线偏振光的功率；

步骤S3：将所述频率上转换单元的出射光束进行相位补偿并过滤得到椭圆偏振信号光。

9.根据权利要求8所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器的工作方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体采用如下方案实现频率上转换并控制所述椭圆偏振光的所述椭圆离心率：

步骤S21：利用二向色镜将所述线偏振光和所述圆偏振光进行合束得到合束光，将所述合束光通过消色差凸透镜汇聚到非线性晶体中；

步骤S22：使所述圆偏振光中的o光偏振分量或e光偏振分量与所述线偏振光满足相位匹配条件，从而使所述o光偏振分量或所述e光偏振分量与所述线偏振光在所述非线性晶体中进行频率上转换，通过控制所述泵浦激光的功率以控制进行频率上转换的所述o光偏振分量或所述e光偏振分量的转换效率，从而控制所述椭圆偏振信号光的椭圆离心率。

10.根据权利要求9所述的一种基于频率上转换技术的偏振控制器的工作方法，其特征在于，所述步骤S22中，使所述圆偏振光中的o光偏振分量或e光偏振分量与所述线偏振光在所述非线性晶体中满足相位匹配条件的方法通过下列三种方案中的任意一种实现：

a. 所述圆偏振光和所述线偏振光均以e光偏振方向入射到周期极化负单轴晶体，以构成准相位匹配；

b. 所述圆偏振光和所述线偏振光均以o光偏振方向入射到负单轴晶体，或所述圆偏振光和所述线偏振光均以e光偏振方向入射到正单轴晶体，以构成第一类相位匹配；

c. 所述圆偏振光以o光偏振方向、所述线偏振光以e光偏振方向一起入射到负单轴晶体，或所述圆偏振光以o光偏振方向、所述线偏振光以e光偏振方向一起入射到正单轴晶体，以构成第二类相位匹配。