CN111736371A - 高速相位型一维空间光调制器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速相位型一维空间光调制器及方法，包括金属电极包覆的铌酸锂晶体、带有电极的电路板支撑底座以及用于连接电极的金属线；金属电极包覆的铌酸锂晶体包括：由内而外依次设置于铌酸锂晶体外侧的二氧化硅沉积层以及金属电极层，金属电极层设有铬粘合层和金电极层，位于铌酸锂晶体上表面的金属电极层为多通道一维阵列结构，位于铌酸锂晶体下表面的金属电极层为调制器整块地电极。当光束从铌酸锂晶体侧面入射到铌酸锂中，同时向电路板支撑底座上施加驱动电压，利用晶体电光效应，铌酸锂晶体折射率将根据所加电压信号而变化，从而使得不同像素电极处出射的激光相位也随之相应改变。本发明以百微米厚度铌酸锂晶体为基底，利用电光效应实现光的相位在一维方向高速调制。

Description

高速相位型一维空间光调制器及方法
技术领域
本发明涉及的是一种光电子、光信息处理领域的技术，具体是一种高速相位型一维空间光调制器及方法。
背景技术
空间光调制器作为一种重要的光学元件，在光场调控、信息处理以及显微成像等诸多领域都有重要应用，包括以向列液晶为基底的液晶空间光调制器(L-SLM)和基于微镜偏转技术的数字微镜空间光调制器(DMD)。液晶空间光调制器的基本原理是利用液晶分子的偏振旋光和双折射特性来达到控制激光束相位或振幅的目的。外加电压通过改变液晶分子指向来改变液晶的折射率大小。因此最明显的不足之处在于响应速度过慢，响应时间在几十到几百微秒量级，商用液晶空间光调制器调制速率在百赫兹以内。数字微镜空间光调制器由大量可倾斜的反射微镜组成，每一个像素上都有一个可以转动的微镜。这些微镜片是通过数字压电信号来控制其执行机械运动的。数字微镜元件可以被认为是一种光开关，通过控制微镜片围绕固定轴的旋转和时域响应等，决定反射光的角度、方向以及强度分布等性质，从而对入射光进行调制。虽然相对于液晶空间光调制器在调制速率上有比较大提高，但目前调制速率仍不能满足特定需求，其二值调制特性也一定程度上制约了其应用。
发明内容
本发明针对现有液晶空间光调制器和数字微镜的调制速率较低且调制电压较高的缺陷，提出一种高速相位型一维空间光调制器及方法，以百微米厚度铌酸锂晶体为基底，利用电光效应实现光的相位在一维方向高速调制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种高速相位型一维空间光调制器，包括：金属电极包覆的铌酸锂晶体、带有电极的电路板支撑底座以及用于连接电极的金属线。
所述的铌酸锂晶体采用z切形式，可充分利用铌酸锂最大电光系数γ33以增大调制效果。
所述的金属电极包覆的铌酸锂晶体包括：由内而外依次设置于铌酸锂晶体外侧的二氧化硅沉积层以及金属电极层，其中：金属电极层设有铬粘合层和金电极层，位于铌酸锂晶体上表面的金属电极层为多通道一维阵列结构，位于铌酸锂晶体下表面的金属电极层为调制器整块地电极。当光束从铌酸锂晶体侧面入射到铌酸锂中，同时向电路板支撑底座上施加驱动电压，利用晶体电光效应，铌酸锂晶体折射率将根据所加电压信号而变化，从而使得不同像素电极处出射的激光相位也随之相应改变。
所述的多通道一维阵列结构中的每个通道均为长条矩形且通道之间等间距排列，作为调制器的像素电极。
所述的铌酸锂晶体的上表面的像素电极通过金属线连接在电路板支撑底座上表面对应的电极上。
所述的铌酸锂晶体的下表面的接地底电极通过金属线连接在电路板支撑底座下表面的接地电极上，用以提供零电位。
所述的金属线优选采用金丝导线。
所述的电极包覆的铌酸锂晶体与电路板支撑底座通过紫外胶固定在一起。
所述的调制原理具体是指：对于z切铌酸锂晶体而言，e光入射时通过电光效应可得出外加电压V与相位改变量
Figure BDA0002587192710000021
之间的关系：
Figure BDA0002587192710000022
其中：ne为铌酸锂晶体中e光的折射率，γ33为e光入射对应的铌酸锂材料的电光系数，L为铌酸锂晶体长度，λ为入射光波长，d为铌酸锂晶体厚度，通过不同通道像素电极电压变化，可实现对光波相位的局域改变，最终实现光的相位在一维方向调制。
技术效果
本发明基于铌酸锂晶体的电光效应改变铌酸锂晶体的折射率来调制出射光的相位信息，实现铌酸锂基一维相位型空间光调制器。相较于传统液晶以及数字微镜空间光调制器，本发明利用非线性晶体的电光效应理论上近乎无时间延迟的特点实现光波相位的高速调制；由于调制器采用了铌酸锂晶体为基底材料，其损伤阈值远大于液晶和数字微镜，适用于高功率脉冲激光的相位调控实验；电光效应下相位改变量与电压之间符合线性关系，具有很好的响应特性，无需对调制器再次进行线性拟合。
附图说明
图1为本发明空间光调制器示意图；
图2为金属电极包覆的铌酸锂晶体示意图；
图3为上表面金属电极与电路板绑定结构局部示意图；
图4为下表面金属电极与电路板绑定结构局部示意图；
图中：金属电极包覆的铌酸锂晶体1、电路板支撑底座2、金属线3、光束入射面4、光束出射面5、铌酸锂晶体11、二氧化硅沉积层12、铬粘合层13和15、金电极层14和16。
具体实施方式
如图1～图4所示，为本实施例涉及一种高速相位型一维空间光调制器，包括：金属电极包覆的铌酸锂晶体1、带有电极的电路板支撑底座2以及用于连接电极的金属线3。
所述的金属电极包覆的铌酸锂晶体1包括：由内而外依次设置于铌酸锂晶体11外侧的二氧化硅沉积层12、铬粘合层13和15以及金电极层14和16。
所述的金属电极包覆的铌酸锂晶体1的侧面，即光束入射面4处入射波长为800nm的激光，同时向电路板支撑底座2上通过信号发生器施加驱动电压，利用晶体电光效应，像素电极下的铌酸锂晶体折射率将根据所加电压信号而变化，从而使得金属电极包覆的铌酸锂晶体1侧面，即光束出射面5处出射的激光相位也随之相应改变。
所述的铌酸锂晶体11采用z向切割，铌酸锂晶体长度L为2cm，宽度为1cm，厚度d为100um。
所述的二氧化硅沉积层12位于铌酸锂晶体的上下两面，且厚度为2um。
所述位于铌酸锂晶体11上表面的金属电极层为一维阵列结构，由铬粘合层13和金电极层14组成，总厚度为110nm，位于铌酸锂晶体11下表面的金属电极层(由铬粘合层15和金电极层16组成)作为接地底电极。
所述的铬粘合层13和15，基于光刻以及蒸镀技术分别设置于上下表面二氧化硅沉积层12的外侧，且厚度为10nm。
所述的金电极层14和16，基于光刻以及蒸镀技术分别设置于铬粘合层13和15的外侧，且厚度为100nm。
所述的一维阵列结构是指：调制器上表面金属电极成一维阵列式分布，电极与电极间隙宽度之比为2：1。
所述金属电极包覆的铌酸锂晶体1的光束入射面4和出射面5进行端面抛光后用紫外胶固定在电路板支撑底座2上。
如图3所示，所述的铌酸锂晶体11的上表面的像素电极通过图3中的金丝导线连接在电路板支撑底座2上表面对应的电极上。
如图4所示，所述的铌酸锂晶体11的下表面的金属接地底电极则通过图4中的金丝导线连接在电路板支撑底座下表面的接地电极上，用以提供零电位。
所述的金属电极的宽度远大于铌酸锂晶体的厚度以使得位于像素电极下的铌酸锂晶体处于匀强电场中。
所述的电路板支撑底座，其特征是中间用于固定金属电极包覆的铌酸锂晶体，并采用镂空设计以利于铌酸锂晶体和支撑底座背面电极之间相连；PCB电路板的正面两侧均设置有与像素电极等数量的金电极，用来与晶体电极相连，PCB电路板上的金电极分别与电路板侧面的引脚相连，外部电路可通过电路板侧面的引脚提供外加电压；PCB电路板背面设置有接地电极用于提供零电位。
在铌酸锂晶体中，对于e光而言，外加电压与相位改变值之间满足：
Figure BDA0002587192710000041
其中：ne为铌酸锂晶体中e光的折射率，γ33为e光入射对应的铌酸锂材料的电光系数，L为铌酸锂晶体长度，λ为入射光波长，d为铌酸锂晶体厚度；对于o光而言，外加电压与相位改变值之间满足：
Figure BDA0002587192710000042
其中：no为铌酸锂晶体中o光的折射率，γ13为o光入射对应的铌酸锂材料的电光系数。
对于铌酸锂晶体来说，γ13＝9.6×10-12m/V，γ33＝30.9×10-12m/V。因此要在相同电压情况下产生更大的相位变化量应当采用e光入射。与此同时，相位变化量还与晶体厚度成正比，本实施例选取晶体厚度d＝100um，这一厚度既有较大的光耦合效率，又尽可能地降低外部电路的驱动电压。波长为800nm激光作为入射光，对于e光而言，当所加电压为12.39V时，相位改变量为π；当所加电压为24.78V时，相位改变量为2π。
由于相位的微小变化不容易在实验中测得，因此本实施例将这一相位调制效应转换成光波的偏振效应，进一步通过格兰棱镜转换成光波强度信息进行测量。入射光束为45°偏振的线偏振光，最终出射光强与入射光强满足：
Figure BDA0002587192710000043
其中：I为入射的总光强，I′为出射的总光强，δ1为射入金属电极间隙部分对应铌酸锂晶体的o光和e光相位差，δ2为射入金属电极部分对应铌酸锂晶体的o光和e光相位差。当驱动电压的变化频率达到1MHz时，相应测得出射光的强度变化频率也达到1MHz。从而验证调制器对相位的高速调制特性。
本实施例涉及上述相位型一维空间光调制器的制备方法，具体通过在100μm的z切铌酸锂晶体上下表面分别用等离子体增强化学气相沉积法沉积2μm的二氧化硅层。晶体上表面经光刻后再用蒸镀的方式分别镀上铬粘合层和金电极，最后用丙酮剥离出一维阵列式的金属电极结构，金属电极与电极间隙宽度之比为2：1；晶体下表面则直接用蒸镀的方式分别镀上铬粘合层和金电极，形成接地大块底电极。而后对金属电极包覆的铌酸锂晶体通光端面抛光处理，并通过紫外胶固定在电路板支撑底座上。最后，利用金丝球焊机将金属电极包覆的铌酸锂晶体各个电极通道分别连接到对应电路板支撑底座的电极上。
经过具体实际实验，当调制器进行纯相位调制时(纯e光入射)，信号变化很难在实验中测得。因此以800nm波长45°线偏振光入射(e光与o光之比为1:1)到该高速相位型一维空间光调制器，把相位信息转换成偏振信息后进一步通过格兰棱镜转换成强度信息进行测量。当信号发生器给调制器的金属电极外加频率为1MHz的正弦式交变电压时(该正弦式电压的幅值是正负10V)，光波经过格兰棱镜后的光通过光电探测器探测光强。实验显示，出射光的光强变化符合正弦式曲线且频率达1MHz。
综上，本发明具有调制速率快，损伤阈值高等特点。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种高速相位型一维空间光调制器，其特征在于，包括：金属电极包覆的铌酸锂晶体、带有电极的电路板支撑底座以及用于连接电极的金属线；
所述的金属电极包覆的铌酸锂晶体包括：由内而外依次设置于铌酸锂晶体外侧的二氧化硅沉积层以及金属电极层，其中：金属电极层设有铬粘合层和金电极层，位于铌酸锂晶体上表面的金属电极层为多通道一维阵列结构，位于铌酸锂晶体下表面的金属电极层为调制器整块地电极，当光束从铌酸锂晶体侧面入射到铌酸锂中，同时向电路板支撑底座上施加驱动电压，利用晶体电光效应，铌酸锂晶体折射率将根据所加电压信号而变化，从而使得不同像素电极处出射的激光相位也随之相应改变。
2.根据权利要求1所述的高速相位型一维空间光调制器，其特征是，所述的铌酸锂晶体采用z切形式以充分利用铌酸锂最大电光系数γ33以增大调制效果。
3.根据权利要求1所述的高速相位型一维空间光调制器，其特征是，所述的多通道一维阵列结构中的每个通道均为长条矩形且通道之间等间距排列，作为调制器的像素电极。
4.根据权利要求1所述的高速相位型一维空间光调制器，其特征是，所述的铌酸锂晶体的上表面的像素电极通过金属线连接在电路板支撑底座上表面对应的电极上；所述的铌酸锂晶体的下表面的接地底电极通过金属线连接在电路板支撑底座下表面的接地电极上，用以提供零电位。
5.根据权利要求1所述的高速相位型一维空间光调制器，其特征是，所述的电极包覆的铌酸锂晶体与电路板支撑底座通过紫外胶固定在一起。
6.根据权利要求1所述的高速相位型一维空间光调制器，其特征是，所述的调制，具体是指：对于z切铌酸锂晶体而言，e光入射时通过电光效应可得出外加电压V与相位改变量
Figure FDA0002587192700000011
之间的关系：
Figure FDA0002587192700000012
其中：ne为铌酸锂晶体中e光的折射率，γ33为e光入射对应的铌酸锂材料的电光系数，L为铌酸锂晶体长度，λ为入射光波长，d为铌酸锂晶体厚度，通过不同通道像素电极电压变化，可实现对光波相位的局域改变，最终实现光的相位在一维方向调制。
7.根据权利要求1～6中任一所述高速相位型一维空间光调制器的制备方法，其特征在于，通过在100μm的z切铌酸锂晶体上下表面分别用等离子体增强化学气相沉积法沉积2μm的二氧化硅层，然后分别在：
①晶体上表面经光刻后再用蒸镀的方式分别镀上铬粘合层和金电极，最后用丙酮剥离出一维阵列式的金属电极结构，金属电极与电极间隙宽度之比为2：1；
②晶体下表面则直接用蒸镀的方式分别镀上铬粘合层和金电极，形成接地大块底电极；
再对金属电极包覆的铌酸锂晶体通光端面抛光处理，并通过紫外胶固定在电路板支撑底座上，利用金丝球焊机将金属电极包覆的铌酸锂晶体各个电极通道分别连接到对应电路板支撑底座的电极上。
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