CN110187525B - 一种低剩余幅度调制的电光相位调制器 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有降低剩余幅度调制的方案，只能在一定程度上减弱剩余幅度调制效应，以及操作繁琐费时、增加了光路调节和布置的难度、对电光晶体的放置精度要求较高、不利于器件小型化的技术问题，本发明提供一种低剩余幅度调制的电光相位调制器，本发明通过设计特殊结构的光电晶体，并使光电晶体的通光面与壳体上通光孔的位置相对应，避免了光束在两个通光面之间的来回反射，有效减少了剩余幅度调制，进而提高了相位调制的精确度。在电光晶体长度相同的条件下，光束在本发明电光晶体中的传输距离更长，进而使电光调制的有效长度更大，因此能显著减少电光相位调制器的长度和横向尺寸，有利于器件小型化。
Description
技术领域
本发明涉及激光控制技术领域，尤其涉及一种低剩余幅度调制的电光相位调制器。
背景技术
电光相位调制技术具有较高的灵敏度，因此，电光相位调制技术广泛应用于原子精密光谱、激光频率锁定等技术领域，目前，一般通过电光相位调制器实现电光相位调制，电光相位调制器的核心部件为电光晶体。
目前，电光相位调制分为横向电光相位调制和纵向电光相位调制，在横向电光调制中，需要保证电场方向和电光晶体内部的光束方向垂直，一般通过如下方式实现：通过射频电路在长方体状电光晶体的相对的两个设置有电极的表面发送射频信号，使得这两个表面之间形成方向与这两个表面垂直的电场，光束从一个通光面(入射通光面)垂直入射至该电光晶体内部，使得进入到电光晶体内部的光束方向与电场方向垂直。在上述方式中，当光束到达封装壳体内电光晶体另一端的通光面(出射通光面)并从该通光面离开电光晶体时，光束在该通光面上会产生反射，将光束中的一部分光反射回入射通光面，于是这部分光将经过电光晶体内部并在电光晶体的两个通光面之间来回反射，进而引起剩余幅度调制，剩余幅度调制对相位调制的精确度会造成不良的影响，且剩余幅度调制越高，对相位调制的精确度的影响越大。在精密原子光谱试验中，电光相位调制器的剩余幅度调制效应是影响试验精度提高的一项主要误差来源。
在现有技术中，为了降低剩余幅度调制，一般在电光晶体的入射通光面和出射通光面上镀增透膜，通过增透膜减少光束在两个通光面之间来回反射，但增透膜并不能完全避免光束在两个通光面之间来回反射，仍存在微弱的剩余光束能量在两个通光面之间来回反射，因此与不镀膜的情况相比，该方法虽然能够减弱剩余幅度调制效应，但对精密原子光谱试验而言剩余幅度调制效应的影响仍然明显。
另外一种方案如图1所示，是将电光晶体的入射通光面和出射通光面与上、下电极面均切割成布儒斯特角θ，且入射光面和出射光面平行，这种方式有效的减少了光束在两个通光面之间来回反射，使剩余幅度调制效应得到极大的抑制，因而能显著提高相位调制的精确度。但该方法要求光束与电光晶体的入射面呈布儒斯特角θ入射，光束入射时需要精密调节入射角度，甚至需要借助专门的角度测量装置，因此在实际使用时操作繁琐费时，特别是该方式会使得电光相位调制器的入射光束与出射光束在空间位置上产生横向偏差，极大的增加了光路调节和布置的难度，同时对电光晶体在封装壳体中的放置精度要求较高，还增加了电光相位调制器的横向尺寸，不利于器件的小型化。
发明内容
为了解决现有降低剩余幅度调制的方案，只能在一定程度上减弱剩余幅度调制效应，以及操作繁琐费时、增加了光路调节和布置的难度、对电光晶体的放置精度要求较高、不利于器件小型化的技术问题，本发明提供一种低剩余幅度调制的电光相位调制器。
本发明的技术解决方案如下：
一种低剩余幅度调制的电光相位调制器，包括壳体以及设置在壳体内的电光晶体和射频电路；电光晶体包括上电极面ABCD、下电极面A′B′C′D′、第一通光面ACA′C′、第二通光面DBD′B′、第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′；A、B、D、C分别为上电极面四个顶点的顺序标记，A′、B′、D′、C′分别为下电极面四个顶点的顺序标记；
壳体上其中两个相对的侧壁上分别设置有第一通光孔和第二通光孔；壳体的侧壁上还设置有射频信号转接头；
射频电路的两个信号输入电极与所述射频信号转接头的两极分别连接，射频电路的两个信号输出电极分别与电光晶体的上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′连接；
其特殊之处在于：
上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′为全等的梯形，且二者相互平行；上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′正对部分均镀有导电膜；
第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′均位于上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′之间，且二者关于上电极面ABCD中线对称；第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′均与上电极面ABCD垂直；
第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′平行，并均与上电极面ABCD垂直，且第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′上均镀有对所述电光晶体所通过光波长的介质全反射膜；
第一反光面ABA′B′与第一通光面ACA′C′之间的夹角、第一反光面ABA′B′与第二通光面DBD′B′之间的夹角均为布儒斯特角的余角；
电光晶体的光轴方向为从第一反光面ABA′B′指向第二反光面CDC′D′的方向；
所述第一反光面ABA′B′的长边长度根据公式确定，其中：n是电光晶体对寻常光的折射率，h是第一反光面ABA′B′与第二反光面CDC′D′之间的距离，j是光束在第二反光面CDC′D′的反射次数；
所述第一通光孔与所述第一通光面ACA′C′位置相对应，第二通光孔与所述第二通光面DBD′B′位置相对应；第一通光孔与第二通光孔的中心轴线，均与所述第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′平行，并且均穿过第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′的几何中心。
进一步地，电光晶体的相邻两个面间的角度误差不大于2角分。
进一步地，电光晶体的两个平行面之间的平行度不大于2角分。
进一步地，第一通光面ACA′C′、第二通光面DBD′B′、第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′的表面粗糙度均优于0.008微米。
进一步地，第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′镀膜后的反射率均不低于99.7％。
进一步地，所述导电膜为金膜。
进一步地，所述壳体采用铜材制作。
进一步地，上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′之间的距离大于入射光束的直径。
进一步地，电光晶体为铌酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体或磷酸钛氧钾晶体。
进一步地，所述下电极面A′B′C′D′上设置有导电胶，电光晶体通过所述导电胶固定在壳体内。
本发明的有益效果：
1)避免了光束在两个通光面之间的来回反射，有效减少了剩余幅度调制，进而提高了相位调制的精确度。
2)入射光束与出射光束的空间位置之间不存在横向偏差，减小了光路布置的难度。
3)在电光晶体长度相同的条件下，光束在电光晶体中的传输距离更长，进而使电光调制的有效长度更大，因此能显著减少电光相位调制器的长度和横向尺寸，有利于器件小型化。
4)光束入射的对准条件低，操作方便，光束从电光相位调制器壳体一端的通光孔入射并与该通光孔所在平面垂直，即可保证光束从另一端的通光孔射出，光束与壳体的非通光侧面平行。
附图说明
图1为现有技术的通光表面与电极面呈布儒斯特角θ的电光相位调制器的结构示意图，电光相位调制器结构以平面图表示，射频电路等部分未示出。
图2为本发明电光相位调制器的结构示意图。
图3为本发明提供的电光相位调制器的底部结构示意图。
图4为本发明提供的电光晶体结构示意图。
图5为激光光束在本发明电光晶体中传输过程示意图一。
图6为激光光束在本发明电光晶体中传输过程示意图二。
附图标记说明：
400-电光晶体，500-封装壳体；
100-壳体，101-第二通光孔，102-第一通光孔，103-射频信号转接头，104-盖板，105、106、107、108-电光相位调制器的安装螺孔，200-电光晶体，300-射频电路，301、302-铜线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图2所示，本发明所提供的低剩余幅度调制的电光相位调制器，包括电光晶体200、壳体100、射频电路300；
壳体100为中空的长方体，底部封闭，顶部开口，顶部通过盖板104封闭，壳体100采用铜材制成；电光晶体200和射频电路300均设置于壳体100内。
如图4所示，电光晶体200包括上电极面ABCD、下电极面A′B′C′D′、第一通光面ACA′C′、第二通光面DBD′B′、第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′；
上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′为全等的梯形，且二者相互平行，间距大于入射光束的直径。上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′正对部分均镀有导电膜，下电极面A′B′C′D′上设置有用于将电光晶体200固定于壳体100内底面的导电胶；
第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′均位于上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′之间，且二者关于上电极面ABCD中线对称；第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′均与上电极面ABCD垂直；
第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′平行，并均与上电极面ABCD垂直，且第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′上均镀有对电光晶体200所通过光波长的介质全反射膜；
第一反光面ABA′B′与第一通光面ACA′C′之间的夹角β、第一反光面ABA′B′与第二通光面DBD′B′之间的夹角γ均为布儒斯特角θ的余角；布儒斯特角与光束的波长和电光晶体200的属性(例如折射率)相关，当光束的波长固定、电光晶体200材料固定时，布儒斯特角为一个固定的角度。
定义Z方向为从第一反光面ABA′B′指向第二反光面CDC′D′的方向，电光晶体200的光轴方向为Z方向。
电光晶体200的几何参数选择有如下关系：
电光晶体200边AB的长度根据公式确定，其中n是电光晶体200对寻常光(O光)的折射率，h是第一反光面ABA′B′与第二反光面CDC′D′之间的距离，j是光束在第二反光面CDC′D′的反射次数(j＝0，1，2…)。在双折射现象中，遵循普通折射定律的光称为寻常光(O光)，其偏振方向垂直于寻常光的主平面；不遵循普通折射定律的光称为非常光(e光)，其偏振方向在非常光的主平面内。
本实施例中，光束为激光束，电光晶体200可以为铌酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体、磷酸钛氧钾晶体中的一种，当然在实际应用过程中，电光晶体200还可以为其它材质，本发明对此不作具体限定；进一步的，为了保证本发明电光相位调制器的精确性，电光晶体200的加工参数可以如下：相邻两个面间的角度误差不大于2角分，两个平行面之间的平行度不大于2角分，通光面和反光面的表面粗糙度优于0.008微米(PV值)，反光面镀膜后的反射率不低于99.7％，电极面上镀的导电膜为金膜。
电光晶体200通过其下电极面A′B′C′D′上的导电胶固定于壳体100内，且电光晶体200的几何长轴与壳体100几何长轴平行；壳体100的两个相对的侧壁上分别开设有第一通光孔102和第二通光孔101；第一通光孔102与电光晶体200的第一通光面ACA′C′位置相对应，第二通光孔101与电光晶体200的第二通光面DBD′B′位置相对应；第一通光孔102与第二通光孔101的中心轴线，均与电光晶体200的第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′平行，并且均穿过第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′的几何中心(即均与电光晶体200的两个通光面的几何中心连线重合)。
光束可以从电光晶体200的两个通光面中任意一个入射，光束与光入射的通光面的夹角为布儒斯特角，入射光束与电光晶体200的两个反光面平行，具体如下：
光束从壳体100的第一通光孔102入射至电光晶体200的第一通光面ACA′C′，在电光晶体200的第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′之间多次反射后到达电光晶体200的第二通光面DBD′B′，经过第二通光面DBD′B′后从壳体100的第二通光孔101出射；光束与第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′之间的夹角均为布儒斯特角。
或者，光束从壳体100的第二通光孔101入射至电光晶体200的第二通光面DBD′B′，在电光晶体200的第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′之间多次反射后到达电光晶体200的第一通光面ACA′C′，经过第一通光面ACA′C′后从壳体100的第一通光孔102出射；光束与第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′之间的夹角均为布儒斯特角。
射频电路300通过螺钉和固定安装在壳体100底部安装螺孔105～108处，如图3所示；壳体100的侧壁上设置有射频信号转接头103；射频电路300的信号输入正电极与壳体100上的射频信号转接头103的正极通过铜线301连接，射频信号转接头103的负电极与壳体100导通，用于将外部信号源产生的射频信号导入射频电路300，射频电路300的信号输出正电极与电光晶体200的上电极面ABCD通过铜线302连接，电光晶体200的下电极面A′B′C′D′与壳体100通过导电胶粘接作为负极，用于向上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′发送射频信号，以使上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′之间形成电场方向垂直于上电极面的电场和下电极面的电场。
以下结合图5，对本实施例的电光相位调制器作进一步说明，为了便于描述，在图5中将电光晶体200以平面图表示。
当射频电路300通电后，在电光晶体200的上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′之间会形成电场方向垂直于上电极面ABCD的电场。
入射光束b1为线偏振光，偏振方向与入射面平行，即入射光束b1相对于入射面为P偏振(P偏振表示光的偏振方向是在入射光和反射光所定义的平面内，否则垂直于该平面则为S偏振)，与电光晶体200的光轴方向(图4中的z方向)平行，且入射方向与电光晶体200的一边AB平行，入射处位置为第一通光面ACA′C′的几何中心，则入射光束b1与第一通光面ACA′C′的法线夹角为布儒斯特角θ，入射光束b1在进入电光晶体200后发生折射得到折射光束b2，折射光束b2经过第一反光面ABA′B′反射到达第二反光面CDC′D′，然后在两个反光面之间多次反射，到达第二通光面DBD′B′后出射得到出射光束b3，由光路对称性可得到：出射光束b3与第二通光面DBD′B′法线之间的夹角为布儒斯特角θ，出射处位置为第二通光面DBD′B′的几何中心；
折射光束b2的传输方向与上电极面ABCD平行，进而使得折射光束b2的传输方向与上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′之间的电场方向垂直，满足了横向电光调制的条件。
大部分折射光束b2从第二通光面DBD′B′射出，形成出射光束b3，出射光束b3与入射光束b1平行，由几何关系可得知：入射光束b1与出射光束b3不存在空间位置的横向偏差，少部分的折射光束b2在第二通光面DBD′B′发生反射形成反射光束b4；
由于折射光束b2从电光晶体200出射至晶体外属于从光密介质传播至光疏介质，因此折射光束b2与第二通光面DBD′B′法线之间的夹角小于布儒斯特角θ，该角不是直角，且等于反射光束b4与第二通光面DBD′B′法线之间的夹角，因此，反射光束b4不会被原路返回再次到达光束射入电光晶体200的入射处位置，进而避免了光束在光入射面和光出射面之间来回反射，进而有效减少了剩余幅度调制。
在上述过程中，如由于调节精度不足，使得入射光束P1的偏振方向与上电极面ABCD不平行，存在一个微小的偏角，则入射光束P1相对于电光晶体200并非纯P偏振光，由于入射光束为布儒斯特角入射，所以在入射处光发生反射，入射光束中的少部分光反射，大部分光折射；如图6所示，入射光束P1分解为反射光S1和折射光，反射光S1为S偏振，偏振方向与电光晶体200的光轴方向(图4中的z方向)垂直，由于电光晶体200对不同偏振光的折射率不一样，这样可以将在电光晶体200中传输的折射激光束，在空间上分离为偏振方向垂直于上电极面ABCD的线偏振光S2与偏振方向平行于上电极面ABCD的线偏振光P2，根据几何光学可知，线偏振光P2最终从电光晶体200的第二通光面DBD′B′离开，成为出射光束P3，出射光束P3与入射光束P1平行且不存在空间位置上的偏移；线偏振光S2最终从电光晶体200的第二通光面DBD′B′离开成为出射光束S3；
由于出射光束S3与出射光束P3不平行，因此出射光束S3被壳体100阻挡，不能进入探测器，因此有效抑制了不需要的偏振光对需要的偏振光的影响，也就抑制了由于电光晶体双折射引起的剩余幅度调制；同时，平行于上电极面ABCD的线偏振光P2(需要的偏振光)可以无损耗的通过电光晶体200，垂直于上电极面ABCD的线偏振光S2(不需要的偏振光)大部分被反射，这也对抑制电光晶体双折射引起的剩余幅度调制起到了作用。
实验验证：
电光晶体200为铌酸锂晶体，该铌酸锂晶体的宽度(两个反光面之间的距离)h＝5毫米，铌酸锂晶体的厚度(上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′之间的距离)H＝4毫米，激光束在第二反光面CDC′D′反射一次(j＝1)，上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′正对的部分镀有导电金膜，假设电光晶体200的电光系数γ＝31pm/V，假设激光束波长λ＝780nm，则电光晶体200的对780nm的入射光O(寻常光)的折射率n＝2.15；根据上述参数关系可以得到铌酸锂晶体的AB边长为28.56毫米。
打开微波信号源，并使用射频电缆连接信号源与本发明电光相位调制器中的射频电路300，使射频电路300在电光晶体200的上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′之间产生电场，780nm激光束从壳体100一个通光孔进入电光晶体200后从另一通光孔出射，出射光经过聚焦后到达光电探测器，将光电探测器输出信号导入剩余幅度调制测量系统(由实时频谱分析仪、混频器、FFT分析仪和数字电压表组成)。
通过剩余幅度调制测量系统测量得到的剩余幅度调制约为2×10-5，比传统的电光相位调制器所产生的剩余幅度调制(10-3量级)降低了两个数量级，对精密原子光谱实验的影响已不明显。
Claims (10)
1.一种低剩余幅度调制的电光相位调制器，包括壳体(100)以及设置在壳体(100)内的电光晶体(200)和射频电路(300)；电光晶体(200)包括上电极面ABCD、下电极面A′B′C′D′、第一通光面ACA′C′、第二通光面DBD′B′、第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′；A、B、D、C分别为上电极面四个顶点的顺序标记，A′、B′、D′、C′分别为下电极面四个顶点的顺序标记；
壳体(100)上其中两个相对的侧壁上分别设置有第一通光孔(102)和第二通光孔(101)；壳体(100)的侧壁上还设置有射频信号转接头(103)；
射频电路(300)的两个信号输入电极与所述射频信号转接头(103)的两极分别连接，射频电路(300)的两个信号输出电极分别与电光晶体(200)的上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′连接；
其特征在于：
上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′为全等的梯形，且二者相互平行；上电极面ABCD和下电极面A′B′C′D′正对部分均镀有导电膜；
第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′均位于上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′之间，且二者关于上电极面ABCD中线对称；第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′均与上电极面ABCD垂直；
第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′平行，并均与上电极面ABCD垂直，且第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′上均镀有对所述电光晶体所通过光波长的介质全反射膜；
第一反光面ABA′B′与第一通光面ACA′C′之间的夹角、第一反光面ABA′B′与第二通光面DBD′B′之间的夹角均为布儒斯特角的余角；
电光晶体(200)的光轴方向为从第一反光面ABA′B′指向第二反光面CDC′D′的方向；
所述第一反光面ABA′B′的长边长度根据公式确定，其中：n是电光晶体(200)对寻常光的折射率，h是第一反光面ABA′B′与第二反光面CDC′D′之间的距离，j是光束在第二反光面CDC′D′的反射次数；
所述第一通光孔(102)与所述第一通光面ACA′C′位置相对应，第二通光孔(101)与所述第二通光面DBD′B′位置相对应；第一通光孔(102)与第二通光孔(101)的中心轴线，均与所述第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′平行，并且均穿过第一通光面ACA′C′和第二通光面DBD′B′的几何中心。
2.根据权利要求1所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：电光晶体(200)的相邻两个面间的角度误差不大于2角分。
3.根据权利要求1所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：电光晶体(200)的两个平行面之间的平行度不大于2角分。
4.根据权利要求1所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：第一通光面ACA′C′、第二通光面DBD′B′、第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′的表面粗糙度均优于0.008微米。
5.根据权利要求1所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：第一反光面ABA′B′和第二反光面CDC′D′镀膜后的反射率均不低于99.7％。
6.根据权利要求1所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：所述导电膜为金膜。
7.根据权利要求1所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：所述壳体(100)采用铜材制作。
8.根据权利要求1至7任一所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：上电极面ABCD与下电极面A′B′C′D′之间的距离大于入射光束的直径。
9.根据权利要求8所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：电光晶体(200)为铌酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体或磷酸钛氧钾晶体。
10.根据权利要求9所述的低剩余幅度调制的电光相位调制器，其特征在于：所述下电极面A′B′C′D′上设置有导电胶，电光晶体(200)通过所述导电胶固定在壳体(100)内。
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