CN111427215A - 一种制作阵列电控光偏转器的方法 - Google Patents

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CN111427215A CN202010220222.XA CN202010220222A CN111427215A CN 111427215 A CN111427215 A CN 111427215A CN 202010220222 A CN202010220222 A CN 202010220222A CN 111427215 A CN111427215 A CN 111427215A
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吕且妮
马相国
张淼淼
要焱宏
张明娣
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection

Abstract

本发明公开一种制作阵列电控光偏转器的方法，该方法是在电光晶体中写入光强具有线性梯度分布的阵列诱导光束，使晶体内诱导产生“等效棱镜”形的折射率变化阵列，实现对阵列入射光束的偏转。通过调控诱导光束或/和外加电场，改变光束的偏转方向或/和角度，实现多角度多方向的光可编程电控光偏转，将在光互连、神经网络、阵列扫描器等领域具有潜在的应用价值。

Description

一种制作阵列电控光偏转器的方法
技术领域
本发明属于电光偏转器领域，特别涉及一种用来偏转光束的阵列光偏转技术。
背景技术
光偏转器是光学中基本的功能元件之一，在激光雷达、激光通信、扫描成像、光互联、光网络、光学图像处理等领域具有广泛的应用。随着光通讯网络和光信息处理系统的发展，纳秒量级、任意偏转角、小体积、无可移动部件等特点的阵列光偏转器将是关键器件之一。
基于微棱镜阵列光束偏转器是典型的光束偏转器之一，其基本思想是基于微棱镜阵列，通过设计不同的结构实现光束偏转。如K.Hirabayashi等提出一种液晶微棱镜阵列实现自由空间光学互连(Appl.Opt.1995,34(14):2571-2580)。由于该系统采用了大的微棱镜，限制了响应速度和分辨率。针对这一问题，专利CN1320223A公开了一种束偏转器及扫描仪。该偏转器是由一对配套的微棱镜阵列构成，其中的一阵列由具有基本保持不变的折射率材料制成，另一阵列由一种可变折射率的材料(液晶)制成。利用直写式电子束蚀刻技术制造母版，复制产生棱镜阵列，施加外电/磁场控制可变材料的折射率，从而控制阵列光束偏转角。通过限制微棱镜的尺寸，实现了快速扫描(响应速度达到30μs或更快)，但该偏转器制备技术要求高、装置比较复杂，且偏转模式固定。此外，液晶材料本身折射率调制能力以及响应速度有限，难以满足未来高速的偏转需求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种制作阵列电控光偏转器的方法，该方法是光强具有线性梯度分布的阵列诱导光束照射电光晶体，在晶体中诱导产生呈线性梯度分布的折射率变化阵列，对该晶体加载电压，阵列入射光垂直入射该晶体，发生偏转。通过调控诱导光束梯度方向、大小、或/和外加电场大小，改变光束的偏转方向或/和角度。该方法实质上也是基于微棱镜阵列的思想，但它又不同于传统的微棱镜阵列制作方法。本发明的微棱镜阵列并不是真实的实物棱镜阵列，而是一个等相位面为棱镜形的“等效棱镜”阵列。通过设计光强具有线性梯度分布的诱导光束，即可改变“等效棱镜”的顶角，从而改变偏转方向和角度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种制作阵列电控光偏转器的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将光强具有线性梯度分布的阵列诱导光束写入电光晶体，在电光晶体内诱导产生相应光场分布的阵列空间电荷场，使电光晶体折射率发生变化，且折射率变化呈阵列线性梯度分布；
步骤二、对上述电光晶体加载电场，阵列入射光束从写入区域垂直入射该电光晶体，等相位面倾斜，发生偏转，产生输出光束阵列；
步骤三、改变加载电场大小，从而改变该电光晶体的折射率变化，使光束通过该电光晶体时的光束偏转角发生变化。
进一步的，步骤一中还包括改变阵列诱导光束梯度方向和/或大小，从而改变偏转角度方向和/或大小，实现偏转方向和/或角度操控。
进一步的，步骤一中电光晶体具有较大的光折变效应，且为顺电相晶体。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明毋需通过机械、电子等加工方式制造微棱镜阵列，制备简单，结构简单，无移动部件；通过改变阵列诱导光束，实现偏转角度和方向操控，利用电光晶体，可以实现高速(纳秒级)电控光偏转；所制作的偏振器体积小，可以满足系统小型化、集成化的要求，为阵列光偏转器研制提供一种思路，将在光互连、神经网络、阵列扫描器等领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2(a)和图2(b)是本发明实施例中的线性梯度灰度阵列及其在晶体中诱导的相位分布，其中图2(a)设计的线性梯度灰度阵列；图2(b)为晶体中诱导光束诱导的三维相位分布；
图3为本发明实施例中的电光晶体阵列偏转角度与外加电压的变化曲线，其中的1、2、3分别代表左中右三个诱导光束写入区域。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明一种制作阵列电控光偏转器的方法的具体流程步骤：
步骤一、将光强具有线性梯度分布的阵列诱导光束写入电光晶体，在电光晶体内诱导产生相应光场分布的阵列空间电荷场，使电光晶体折射率发生变化，且折射率变化呈阵列线性梯度分布；
步骤二、对上述电光晶体加载电场，阵列入射光束从写入区域垂直入射该晶体，等相位面倾斜，发生偏转，产生输出光束阵列；
步骤三、改变加载电场大小，从而改变该电光晶体的折射率变化，使光束通过该电光晶体时的光束偏转角发生变化。
具体的，如图2(a)、图2(b)和3所示，本发明方法的具体过程包括：
步骤一、设计光强具有线性梯度分布的诱导光束阵列。图2(a)所示为所设计的线性梯度灰度阵列，三个梯度的灰度均为0-255线性变化，强度分布为I(x,y,z)＝gy，梯度g的比值从左到右为1:2:3。将图2(a)所示的线性梯度灰度阵列加载于空间光调制器，经成像系统成像于顺电相的Mn:KLTN晶体中(晶体尺寸为3.75(x)×2.2(y)×1.2(z)mm3，居里温度为22.5℃。)，该诱导光束在晶体内诱导产生相应光场分布的空间电荷场ESC。图2(b)给出了曝光时间为800s时，诱导光束诱导晶体内部形成的相位变化分布，呈现出三个“棱镜”形状，从左至右的三个区域分别对应三个诱导光束写入区域，诱导的相位变化梯度依次降低，相应的棱镜顶角(棱镜斜面与x-y面的夹角)依次减小。在写入过程中对晶体加载800V电场，其目的是为了增大诱导光束产生的空间电荷场，从而增大折射率变化调制深度，延长存储寿命。
步骤二、对上述写有相位变化梯度分布的晶体，沿y轴加载电场
Figure BDA0002425812160000031
激活写入在晶体内线性梯度折射率变化分布Δn，波长为473nm的入射光束分别从1、2和3三个写入区域沿z轴入射，也可用多个激光器阵列产生阵列入射光束，经该三个“棱镜”形的折射率变化区域，等效于平行光分别穿过了三个顶角不同的棱镜，光波等相位面倾斜，光束发生偏转。基于“等效棱镜”的光束偏转角度θ为
Figure BDA0002425812160000032
式中，
Figure BDA0002425812160000033
为外加电场下电光偏转晶体沿y轴方向的折射率梯度，L为晶体沿通光方向(即z轴)的长度，n0为晶体的初始折射率，Reff为晶体有效电光系数，Id为暗辐照度强度。
图3为实验测得的偏转角度与外加电压U的变化曲线(电压U单位为伏特V)。光束偏转方向与写入诱导光束的光强梯度方向一致，偏转角度与外加电压基本成线性关系，外加电压越大，光束偏转角度越大。对于同一外加电压，入射光束从1、2、3三个区域入射时，光束的偏转角度不同，依次降低，写入诱导光束的光强梯度g越大，入射光束的偏转角度θ越大。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种制作阵列电控光偏转器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将光强具有线性梯度分布的阵列诱导光束写入电光晶体，在电光晶体内诱导产生相应光场分布的阵列空间电荷场，使电光晶体折射率发生变化，且折射率变化呈阵列线性梯度分布；
步骤二、对上述电光晶体加载电场，将阵列入射光束从写入区域垂直入射该电光晶体，等相位面倾斜，发生偏转，产生输出光束阵列；
步骤三、改变加载电场大小，从而改变该电光晶体的折射率变化，使光束通过该电光晶体时的光束偏转角发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种制作阵列电控光偏转器的方法，其特征在于，步骤一中还包括改变阵列诱导光束梯度方向和/或大小，从而改变偏转角度方向和/或大小，实现偏转方向和/或角度操控。
3.根据权利要求1所述的一种制作阵列电控光偏转器的方法，其特征在于，步骤一中电光晶体具有光折变效应，且为顺电相的晶体。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60247627A (ja) * 1984-05-23 1985-12-07 Omron Tateisi Electronics Co 光偏向器
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