CN111999886B - 反射式光学偏转器 - Google Patents

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Abstract

一种反射式光学偏转器，属于光学偏转介质技术领域。本发明针对现有基于反光镜的微机电系统形成的反射型机械波束控制装置结构复杂并且成本高的问题。包括锰掺杂钽铌酸钾单晶，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的高度按预设斜率变化；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶高度方向的两个侧面分别连接电极，两个电极分别连接电源的两极；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶连接电源后，沿高度变化的方向形成变化的电场；锰掺杂钽铌酸钾单晶在变化的电场下产生不同程度的形变，在反射面呈现不同的倾角，使其产生的反射光束具有不同的偏转角度。本发明可实现具有更小尺寸的光学调制器件。

Description

反射式光学偏转器
技术领域
本发明涉及反射式光学偏转器，属于光学偏转介质技术领域。
背景技术
自光学诞生以来，介质中光波传播和光束轨迹的控制一直受到人们的关注和研究。光学介质在光学开关、可变光衰减器、波束控制、成像和光学扫描显示等领域都得到了广泛的应用。因此，开发光学偏转器件等光学功能器件对优化与升级光学集成系统具有重要意义。
光学偏转器是可以有效地调制光束，即改变光束传播路径的光学器件。其工作类型主要分为透射型和反射型。对于透射型偏转器，目前研究相对成熟的是通过梯度的空间电荷实现折射率梯度分布和直接构建具有梯度折射率的材料，通过电光效应实现外加电场下的光学信号调制。然而，由于很难保证晶体内部梯度折射率分布的统一性，透射式的工作方法会使得传播光束在经过调制后，其准直性、波前和偏振等参数受到影响进，进而影响整体光学系统信号传递的稳定性。相比之下，基于反射的偏转器可以在理论上保持光束的特性。目前，反射型机械波束控制装置大多采用基于反光镜的微机电系统，这种控制装置的制备手段较为复杂并且价格相对昂贵，因此限制了在集成光学系统中的使用。因此，如何利用材料的固有特性实现反射型光学偏转器的制备，使装置简化值得探索和研究。
发明内容
针对现有基于反光镜的微机电系统形成的反射型机械波束控制装置结构复杂并且成本高的问题，本发明提供一种反射式光学偏转器。
本发明的一种反射式光学偏转器，包括锰掺杂钽铌酸钾单晶，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的高度按预设斜率变化；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶高度方向的两个侧面分别连接电极，两个电极分别连接电源的两极；
所述锰掺杂钽铌酸钾单晶连接电源后，沿高度变化的方向形成变化的电场；锰掺杂钽铌酸钾单晶在变化的电场下产生不同程度的形变，在反射面呈现不同的倾角，使其产生的反射光束具有不同的偏转角度。
根据本发明的反射式光学偏转器，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶沿长度方向的高度按预设斜率变化；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶沿长度方向的截面为直角梯形，在锰掺杂钽铌酸钾单晶的直角面和斜面上分别连接电极。
根据本发明的反射式光学偏转器，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的相态包括四方相。
根据本发明的反射式光学偏转器，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的相态包括立方相。
根据本发明的反射式光学偏转器，所述电极为金电极。
根据本发明的反射式光学偏转器，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶中，锰的摩尔浓度为0.5％。
本发明的有益效果：本发明作为光学偏转器件可用于集成光学系统中，它基于材料可控分布的电致应变实现了器件的制备。本发明用于机械装置中时，其耦合的部分可以大大的简化，更易实现具有更小尺寸的光学调制器件，并且其响应频率也因结构简化而减少了限制。同时极大的降低了成本。
经验证，本发明采用四方相Mn:KTN器件时，在300V电压条件下可实现最大0.13°的偏转角；采用立方相Mn:KTN器件时，可以在800V条件下实现最大0.09°的偏转角。并且两种相态情况下频率响应均可达到5kHz。
附图说明
图1是本发明所述反射式光学偏转器对光束偏转角度的测量示意图；图中1为分光棱镜；
图2是具体实施例一中四方相锰掺杂钽铌酸钾单晶的设计尺寸与电场分布模拟图；
图3是具体实施例二中立方相锰掺杂钽铌酸钾单晶的设计尺寸与电场分布模拟图；
图4是具体实施例一中四方相锰掺杂钽铌酸钾单晶外加电压下的偏转角度模拟结果和测量结果图；
图5是具体实施例二中立方相锰掺杂钽铌酸钾单晶外加电压下的偏转角度模拟结果和测量结果图；
图6是具体实施例一中四方相锰掺杂钽铌酸钾单晶在5kHz交流电下的频率响应曲线；线性响应：信号同频率；
图7是具体实施例二中立方相锰掺杂钽铌酸钾单晶在5kHz交流电下的频率响应曲线；图中上半部分是对频率响应信号的傅里叶变换求解拟合，其中包含线性响应：一次信号和频率加倍的二次响应信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种反射式光学偏转器，包括锰掺杂钽铌酸钾单晶，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的高度按预设斜率变化；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶高度方向的两个侧面分别连接电极，两个电极分别连接电源的两极；
所述锰掺杂钽铌酸钾单晶连接电源后，沿高度变化的方向形成变化的电场；锰掺杂钽铌酸钾单晶在变化的电场下产生不同程度的形变，在反射面呈现不同的倾角，使其产生的反射光束具有不同的偏转角度。
所述电源可以是直流电源，也可以是交流电源；当电源是直流电源时，两个电极分别连接其正极和负极。
本实施方式利用了锰掺杂钽铌酸钾单晶的电致应变特性。电致应变主要包括逆压电效应和电致伸缩效应的贡献。晶体的电致应变特性取决于其材料本身的内部结构，例如，在铁电单晶中，电场诱导的应变与畴结构和外加电场的强度有关。因此，本申请通过设计外加电场和畴结构，可以在电场下控制材料表面的形变分布，进而实现反射式光束偏转的目的。这种基于材料本征特性的工作方式使得其与机械装置耦合的部分可以大大的简化，更易实现具有更小尺寸的光学调制器件，并且其响应频率也因结构简化而减少了限制。
本实施方式加工的锰掺杂钽铌酸钾单晶具备不规则的形态，例如长和宽不变，但高度尺寸为渐变。在高度变化的两个相对侧面上施加相同的电压可以引入不同的电场，从而对应于材料不同的形变实现倾角偏转。
进一步，结合图2和图3所示，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶沿长度方向的高度按预设斜率变化；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶沿长度方向的截面为直角梯形，在锰掺杂钽铌酸钾单晶的直角面和斜面上分别连接电极。
对于采用几何构型实现梯度电场分布，其几何设计需尽量减少角度较小的边角数量，且其须具有相对较多的规则边角以适应于集成光学系统中的应用，综合以上陈述，直角梯形几何构型简单，且可满足所需要求，故将单晶加工成直角梯形以实现电场的梯度分布。
作为示例，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的相态包括四方相。
作为示例，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的相态包括立方相。
所述锰掺杂钽铌酸钾单晶(简称Mn:KTN)在室温下可处于不同的相态：四方相：Mn:KTN-1和立方相：Mn:KTN-2。两种不同的相态具有不同的电畴结构，诱导的电致应变性能不同。
通过对锰掺杂钽铌酸钾单晶形状的加工，来构建晶体上梯度电场的分布。经验证，利用电致应变的电场依赖特性可实现四方相Mn:KTN器件在特定电压下具有偏转角度的突变，即开关效应；和立方相Mn:KTN器件偏转角度随电压具有连续变化的渐变效应。其中四方相Mn:KTN器件在300V电压条件下可实现最大0.13°的偏转角；而立方相Mn:KTN器件可以在800V条件下实现最大0.09°的偏转角。并且两种相态情况下频率响应均可达到5kHz。
作为示例，所述电极为金电极。
作为示例，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶中，锰的摩尔浓度为0.5％。在钽铌酸钾掺杂体系中，锰掺杂带来的性能改变与掺杂浓度有着直接的关系，当锰的掺杂浓度不同时，其在晶胞中离子占位与化合价态也存在着一定的差异，其中摩尔浓度为0.5％时其对压电性能具有显著的增强效应，同时使其具有优异的抗疲劳特性，更利于实际应用。
下面通过两个具体实施例验证本发明的有益效果：
具体实施例一：结合图1所示，作为示例，为获得梯度分布电场，可将室温下处于四方相的Mn:KTN-1晶体加工成直角梯形的形式并在直角面和斜面上镀金电极以施加电场。直流电压测试至400V，光斑偏转位置通过CCD采集。
选择锰的摩尔浓度为0.5％；
对比实验操作步骤如下：
一、无外场条件：激光器输出波长为532纳米的激光，通过望远镜系统实现光束直径的缩小，缩小后的光束经过分光棱镜经反射后正入射至已抛光为镜面并且镀有金电极的单晶材料表面。反射的光束经分光棱镜透射至CCD并被采集。
二、有外场条件：通过对晶体施加电压构建出梯度分布电场，进而使得晶体反射面的倾角发生变化，从而使得CCD采集反射光斑的位置发生移动，通过CCD像元尺寸结合采集光斑图像可以得到光斑位移，利用几何关系可以计算得到不同电压条件下的偏转角度。
试验1：采用Mn:KTN-1晶体首先在步骤一条件下利用CCD采集光斑，电压为0-400V，以10V为间隔记录CCD光斑位置变化情况，并通过几何计算得到如图4所示的偏转角度变化关系，其最大偏转角度可以达到0.13°。其中晶体尺寸及其内部在300V电压条件下模拟电场分布如图2所示。
另外，本实施例中，在其它不变的基础上，将直流电压替换为幅值150V的交流电压信号，可进行频率响应特征的测量。利用光电功率计实现交流信号的采集，将CCD换为前方带有小光阑的光电功率计，通过施加交流信号下相同位置处由于光斑偏转而引起的探测强度的变化而得到频率响应特性。
试验2：采用Mn:KTN-1晶体在施加频率为5kHz，幅值为150V的交流电压信号下，探测相同位置的光功率响应信号，测试结果如图6所示，结果发现该频率下所述偏转器可以实现良好的一次(线性)信号响应。
具体实施例二：结合图1所示，作为示例，为获得梯度分布电场，可将室温下处于立方相的Mn:KTN-2晶体加工成直角梯形的形式并在直角面和斜面上镀金电极以施加电场。直流电压测试至800V，光斑偏转位置通过CCD采集。
选择锰的摩尔浓度为0.5％；
对比实验操作步骤如下：
一、无外场条件：激光器输出的波长为532纳米的激光，通过望远镜系统实现光束直径的缩小，缩小后的光束经过分光棱镜经反射后正入射至已抛光为镜面并且镀有金电极的单晶材料表面。反射的光束经分光棱镜透射至CCD并被采集。
二、有外场条件：通过对晶体施加电压构建出梯度分布电场，进而使得晶体反射面的倾角发生变化，从而使得CCD采集反射光斑的位置发生移动，通过CCD像元尺寸结合采集光斑图像可以得到光斑位移，利用几何关系可以计算得到不同电压条件下的偏转角度。
试验3：采用Mn:KTN-2晶体首先在步骤一条件下利用CCD采集光斑，电压为0-800V，以10V为间隔记录CCD光斑位置变化情况，并通过几何计算得到如图5所示的偏转角度变化关系，其最大偏转角度可以达到0.09°。其中晶体尺寸及其内部在200V电压条件下模拟电场分布如图3所示。
另外，本实施例中，在其它不变的基础上，将直流电压替换为幅值150V的交流电压信号，可进行频率响应特征的测量。利用光电功率计实现交流信号的采集，将CCD换为前方带有小光阑的光电功率计，通过施加交流信号下相同位置处由于光斑偏转而引起的探测强度的变化而得到频率响应特性。
试验4：采用Mn:KTN-2晶体在施加频率为5kHz，幅值为150V的交流电压信号下，探测相同位置的光功率响应信号，测试结果如图7所示，结果发现该频率下所述偏转器可以实现具有一次和二次信号叠加特征的频率响应信号。图7上半段显示了采集的信号通过傅里叶变换的信号处理手段分离出的一次和二次信号的强度。
经上述实验验证，本发明基于材料本征结构对应的偏转特性由于其结构更简单，加工便捷，对光学系统集成化和光学器件小型化具有很大意义。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (4)

1.一种反射式光学偏转器，其特征在于，包括锰掺杂钽铌酸钾单晶，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶沿长度方向的纵截面为直角梯形，并且锰掺杂钽铌酸钾单晶高度方向的上表面为斜面；所述锰掺杂钽铌酸钾单晶高度方向的两个侧面分别连接电极，两个电极分别连接电源的两极；
所述锰掺杂钽铌酸钾单晶连接电源后，沿高度变化的方向形成变化的电场；锰掺杂钽铌酸钾单晶在变化的电场下产生不同程度的形变，在反射面呈现不同的倾角，使其产生的反射光束具有不同的偏转角度；
在锰掺杂钽铌酸钾单晶的底面和斜面上分别连接电极；光束经过分光棱镜经反射后正入射至已抛光为镜面并且镀有金电极的单晶材料表面。
2.根据权利要求1所述的反射式光学偏转器，其特征在于，
所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的相态包括四方相。
3.根据权利要求1所述的反射式光学偏转器，其特征在于，
所述锰掺杂钽铌酸钾单晶的相态包括立方相。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的反射式光学偏转器，其特征在于，所述锰掺杂钽铌酸钾单晶中，锰的摩尔浓度为0.5％。
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