CN114815328A - 一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法及光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法及光开关，属于光调制器件的设计与制备技术领域。本发明以LiNbO3晶体的电光效应为基础，以1064nm的红外激光为泵浦光，实现倍频出射532nm绿光，滤波片滤去1064nm基频光，测量倍频光和转台角度关系，固定转台在某一角度，通过外加电压可以改变产生的倍频光强度，实现了对倍频激光强度的连续非机械性调制，并获得一种电压控制的光强调制开关。本发明提供的样品制作简单，非常有利于器件设计，且调制效率较优良，为晶体器件实现光强调制提供了另一种可能。

Description

一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法及光开关
技术领域
本发明涉及一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法及光开关，属于光调制器件的设计与制备技术领域。
背景技术
光调制器是实现高速，远程光通信的关键器件之一，也是重要的集成光学器件。光调制根据光源与调制器之间的关系，可分为直接调制和间接调制两类。直接调制是将信息转化为电信号，直接传输到激光器光源(LD和LED激光器等)，从而获得相应得到调制的光信号，这种方法一般较简单，驱动功率小，然而它只适用于半导体激光器，且工作不稳定。间接调制是指在激光器谐振腔之外的光路中添加调制器，使光波通过它时被调制。和直接调制方法相比，它具有快响应速率、高消光比、光源适应性好等优点，在光通信中是更为行之有效的方法。
实现间接调制技术的方法种类繁多，比如利用电光效应、声光效应、磁光效应等。在光通信领域中，其应用要求调制系统必须具有高度的精确性、稳定性、和高响应速度。声光调制利用声光效应，声波作用到声光介质上时会引起声光介质的密度产生周期性变化，从而使得介质折射率也发生周期性改变，光束经过介质后振幅和方向改变，以实现调制。磁光调制利用法拉第旋转效应，当线偏振光在施加了磁场的介质中传播时，其偏振方向将发生旋转。和上述的调制方法相比，电光调制具有稳定、精度高、响应速度快、调制范围大等优点。
电光调制器是基于电光效应实现的调制器，电光效应是指在外加电场作用下，材料的折射率发生变化的现象。目前，主流的电光材料主要有有机电光材料(有机掺杂PMMA、Im-ClO4)、半导体电光材料(硅基半导体材料)、液晶、无机晶体材料等。大多数有机电光材料的电光活性(即电光系数)较低，所需驱动电压较大，且材料机械强度较低；半导体材料在可见光波段范围内存在强吸收，难以适用于可见光调制；液晶材料的电光效应依赖于液晶分子的取向运动，响应速度较慢，即使目前性能最好的蓝相液晶，响应时间也仅达到亚毫秒量级，难以满足高速率电光调制的需求；和这些材料相比，无机晶体材料具有电光系数较大、稳定、响应速度快等优点。铌酸锂(LiNbO3)材料是无机晶体中的性能佼佼者，它是一种铁电体，属三方晶系，具有铁电、压电、声光、光折变、电光、非线性等多种光学性能，且生长成本低廉，处理工艺简单。因此，提供一种基于铌酸锂晶体的电光调制器，为高功率，高响应速率的电光调制器件研究提供了技术储备，也为未来的光学器件的研究奠定基础是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的新型激光调制方法和光开关。
本发明的技术方案：
一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，所述的光强调制基于光系统实现，所述光系统沿光束传播方向依次为激光器、第一偏振片、半波傅里叶透镜、铌酸锂晶体、532nm带通滤波片和第二偏振片，所述的铌酸锂晶体为沿[100]、[010]和[001]方向切割的长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中x轴为[100]晶向且为通光方向，y轴为[010]晶向，z轴为[001]晶向且为晶体光轴方向；
铌酸锂晶体与x轴垂直的两个面进行抛光处理，在铌酸锂晶体两个相对的(001)晶面上设置金属纳米薄膜作为电极，通过电极对铌酸锂晶体施加输入电压，铌酸锂晶体搭载在旋转转台上；
所述的激光器发出的激光光束依次通过第一偏振片和半波傅里叶透镜，沿x轴方向入射至铌酸锂晶体；
所述的光强调制方法包括以下步骤：
步骤1，激光光束从yoz面入射，旋转转台使铌酸锂晶体沿y轴旋转，直至获得最大/最小的出射倍频光强度；
步骤2，调节输入电压，实现出射倍频光强度由强到弱/由弱到强的调制。
进一步限定，激光光束为1064nm的红外光。
进一步限定，铌酸锂晶体尺寸x×y×z为2.7mm×3mm×3mm，铌酸锂晶体通光长度L为2.7mm。
进一步限定，第一偏振片所在平面与铌酸锂晶体的晶体光轴方向垂直，第二偏振片所在平面与铌酸锂晶体的晶体光轴方向平行。
进一步限定，以离子溅射或真空蒸镀的方法在铌酸锂晶体的(001)晶面上制作金属纳米薄膜。
进一步限定，输入电压由高压直流电源提供。
基于上述光强调制方法获得的光开关，所述的光开关基于光系统实现，所述光系统沿光束传播方向依次为激光器、第一偏振片、半波傅里叶透镜、铌酸锂晶体、532nm带通滤波片和第二偏振片，所述的铌酸锂晶体为沿[100]、[010]和[001]方向切割的长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中x轴为[100]晶向且为通光方向，y轴为[010]晶向，z轴为[001]晶向且为晶体光轴方向；
铌酸锂晶体与x轴垂直的两个面进行抛光处理，在铌酸锂晶体两个相对的(001)晶面上设置金属纳米薄膜作为电极，通过电极对铌酸锂晶体施加输入电压，铌酸锂晶体搭载在旋转转台上；
所述的激光器发出的激光光束依次通过第一偏振片和半波傅里叶透镜，沿x轴方向入射至铌酸锂晶体。
进一步限定，所述的光开关包括电压控制的由开到关的光开关和电压控制的由关到开的光开关；
所述的由电压控制的由开到关的光开关实现过程为：
(1)激光光束从yoz面入射，旋转转台使铌酸锂晶体沿y轴旋转，直至获得最大的出射倍频光强度；
(2)调节输入电压，实现出射倍频光强度由强到弱的调制，记载光强度达到最低时的输入电压；
(3)对铌酸锂晶体施加步骤(2)记载的输入电压，实现由电压控制的由开到关的光开关；
所述的由电压控制的由关到开的光开关实现过程为：
(i)激光光束从yoz面入射，旋转转台使铌酸锂晶体沿y轴旋转，直至获得最小的出射倍频光强度；
(ii)调节输入电压，实现出射倍频光强度由弱到强的调制，记载光强度达到最高时的输入电压；
(iii)对铌酸锂晶体施加步骤(ii)记载的输入电压，实现由电压控制的由关到开的光开关。
本发明具有以下有益效果：本发明以LiNbO3晶体的电光效应为基础，以1064nm的红外激光为泵浦光，实现倍频出射532nm绿光，滤波片滤去1064nm基频光，测量倍频光和转台角度关系，固定转台在某一角度，通过外加电压可以改变产生的倍频光强度，实现了对倍频激光强度的连续非机械性调制，并获得一种电压控制的光强调制开关。具有以下优点：
(1)本发明以基频光入射，改变倍频光的强度，获得相应被调制的光信号的方法，为晶体器件实现光强调制提供了另一种可能；
(2)本发明提供的光系统样品制作简单，非常有利于器件设计，且调制效率较优良；
(3)本发明提供的光开关器件具有体积小、加工简单、响应速度快等优点，使得其应用领域非常广阔。
附图说明
图1为本发明提供的光强调制系统的光路图；
图2为铌酸锂晶体的通光长度L＝2.7mm时，出射倍频光强度由强到弱调制，倍频光强和外加电压的关系图；
图3为铌酸锂晶体的通光长度L＝2.7mm时，出射倍频光强度由弱到强调制，倍频光强和外加电压的关系图；
图4为实施例3中光开关未加电压时和消光时光斑效果对比；
图5为铌酸锂晶体的通光长度L＝5.9mm时，出射倍频光强度由强到弱调制，倍频光强和外加电压的关系图；
图6为铌酸锂晶体的通光长度L＝5.9mm时，出射倍频光强度由弱到强调制，倍频光强和外加电压的关系图；
图7为铌酸锂晶体的通光长度L＝2.7mm时，出射倍频光强度与红外泵浦光和yoz面法线夹角θ关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
如图1所示构建基于铌酸锂晶体的电控光强调制系统，该系统沿光束传播方向依次为激光器、第一偏振片、半波傅里叶透镜、铌酸锂晶体、532nm带通滤波片和第二偏振片，铌酸锂晶体的[100]、[001]和[010]方向与直角坐标系的x、y、z轴相对应，z轴为晶体光轴。
利用上述系统实现倍频光强的连续非机械调制，具体过程如下：
步骤一、将不掺杂任何元素的纯铌酸锂晶体沿[100]、[010]和[001]方向切割成长方体体块，晶体尺寸x×y×z＝2.7mm×3mm×3mm(通光长度L＝2.7mm)，各晶面与晶轴垂直，之后对yoz面进行抛光，激光光源为1064nm红外光。
步骤二、在LiNbO3晶体样品两个相对的(001)晶面上制作电极,制作方式为以离子溅射或真空蒸镀的方法在晶面上镀上一层金属纳米薄膜。
步骤三、使用1064nm红外光，激光光束从yoz晶面入射，即晶体抛光面；调节第一偏振片的方向，使其和晶体光轴方向垂直；调节第二偏振片的方向，使其和铌酸锂晶体光轴方向平行；调节旋转转台，使铌酸锂晶体沿y轴旋转，产生532nm的倍频光，滤波片滤去1064nm基频光，测量出射倍频光强度和铌酸锂晶体沿y轴旋转角度θ的关系如图7所示，当红外泵浦光和yoz面法线夹角θ成4°时，铌酸锂晶体产生的倍频532nm光强最小。
步骤四、固定转台，使红外泵浦光和yoz面法线夹角θ成4°，沿光轴方向施加输入电压，输入电压逐渐增加，倍频光强逐渐变弱，实现光强从强到弱的调制，分别记录不同电压下的倍频光束的强度，结果如图2所示。
实施例2：
本实施例与实施例1不同处为：
步骤三中调节旋转转台，使得铌酸锂晶体产生的倍频532nm光强最大，此时红外泵浦光和yoz面法线夹角θ成8.5°。
步骤四、固定转台，使红外泵浦光和yoz面法线夹角θ成8.5°，沿光轴方向施加输入电压，输入电压逐渐增加，倍频光强逐渐变强，实现光强从弱到强的调制，分别记录不同电压下的倍频光束的强度，结果如图3所示。
实施例3：
利用实施例1的光路，利用实施例1步骤四对铌酸锂晶体施加使光强达到最低时的电压实现一种由电压控制的由开到关的光开关，其消光效果如图4。
实施例4：
利用实施例2的光路，利用实施例2步骤四对铌酸锂晶体施加使光强达到最高时的电压实现一种由电压控制的由关到开的光开关。
实施例5：
本实施例与实施例1不同处为：
铌酸锂晶体尺寸x×y×z＝5.9mm×3mm×3mm(通光长度L＝5.9mm)。则不同电压下的倍频光束的强度，结果如图5所示。
实施例6：
本实施例与实施例2不同处为：
铌酸锂晶体尺寸x×y×z＝5.9mm×3mm×3mm(通光长度L＝5.9mm)。则不同电压下的倍频光束的强度，结果如图6所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，其特征在于，所述的光强调制基于光系统实现，所述光系统沿光束传播方向依次为激光器、第一偏振片、半波傅里叶透镜、铌酸锂晶体、532nm带通滤波片和第二偏振片，所述的铌酸锂晶体为沿[100]、[010]和[001]方向切割的长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中x轴为[100]晶向且为通光方向，y轴为[010]晶向，z轴为[001]晶向且为晶体光轴方向；
铌酸锂晶体与x轴垂直的两个面进行抛光处理，在铌酸锂晶体两个相对的(001)晶面上设置金属纳米薄膜作为电极，通过电极对铌酸锂晶体施加输入电压，铌酸锂晶体搭载在旋转转台上；
所述的激光器发出的激光光束依次通过第一偏振片和半波傅里叶透镜，沿x轴方向入射至铌酸锂晶体；
所述的光强调制方法包括以下步骤：
步骤1，激光光束从yoz面入射，旋转转台使铌酸锂晶体沿y轴旋转，直至获得最大/最小的出射倍频光强度；
步骤2，调节输入电压，实现出射倍频光强度由强到弱/由弱到强的调制。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，其特征在于，所述的激光光束为1064nm的红外光。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，其特征在于，所述的铌酸锂晶体尺寸x×y×z为2.7mm×3mm×3mm，铌酸锂晶体通光长度L为2.7mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，其特征在于，所述的第一偏振片所在平面与铌酸锂晶体的晶体光轴方向垂直，第二偏振片所在平面与铌酸锂晶体的晶体光轴方向平行。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，其特征在于，以离子溅射或真空蒸镀的方法在铌酸锂晶体的(001)晶面上制作金属纳米薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体电光效应的光强调制的方法，其特征在于，所述的输入电压由高压直流电源提供。
7.基于权利要求1所述的光强调制方法获得的光开关，其特征在于，所述的光开关基于光系统实现，所述光系统沿光束传播方向依次为激光器、第一偏振片、半波傅里叶透镜、铌酸锂晶体、532nm带通滤波片和第二偏振片，所述的铌酸锂晶体为沿[100]、[010]和[001]方向切割的长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中x轴为[100]晶向且为通光方向，y轴为[010]晶向，z轴为[001]晶向且为晶体光轴方向；
铌酸锂晶体与x轴垂直的两个面进行抛光处理，在铌酸锂晶体两个相对的(001)晶面上设置金属纳米薄膜作为电极，通过电极对铌酸锂晶体施加输入电压，铌酸锂晶体搭载在旋转转台上；
所述的激光器发出的激光光束依次通过第一偏振片和半波傅里叶透镜，沿x轴方向入射至铌酸锂晶体。
8.根据权利要求7所述的光开关，其特征在于，所述的光开关包括电压控制的由开到关的光开关和电压控制的由关到开的光开关；
所述的由电压控制的由开到关的光开关实现过程为：
(1)激光光束从yoz面入射，旋转转台使铌酸锂晶体沿y轴旋转，直至获得最大的出射倍频光强度；
(2)调节输入电压，实现出射倍频光强度由强到弱的调制，记载光强度达到最低时的输入电压；
(3)对铌酸锂晶体施加步骤(2)记载的输入电压，实现由电压控制的由开到关的光开关；
所述的由电压控制的由关到开的光开关实现过程为：
(i)激光光束从yoz面入射，旋转转台使铌酸锂晶体沿y轴旋转，直至获得最小的出射倍频光强度；
(ii)调节输入电压，实现出射倍频光强度由弱到强的调制，记载光强度达到最高时的输入电压；
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