CN116540468A - 基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置及方法，装置包括：钽酸锂晶体，所述钽酸锂晶体包括光输入面、与光输入面相对的光输出面、第一表面以及与第一表面相对的第二表面，第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面；所述第一表面与所述第二表面形成有对应设置的第一维光束偏转区，所述第三表面与所述第四表面形成有对应设置的第二维光束偏转区。本发明具有易集成、高速率、体积小、多维度偏转等优点。

Description

基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置及方法

技术领域

本发明涉及电光调控领域，具体涉及一种基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置及方法。

背景技术

光束偏转器(或扫描器)是一种用于改变光束在空间传播方向的器件，它在激光雷达、激光加工、光存储、光显示及光通讯等领域均有广泛的应用。光束偏转的技术主要包括机械式光束偏转、声光式光束偏转和电光式光束偏转。传统的机械偏转通过光学元件的旋转或振动，改变光束入射角，从而实现反射光或透射光的偏转扫描，但存在重量和体积大、响应速度慢，稳定性差等问题。声光偏转是通过改变声波的频率来改变介质折射率，使光束偏转。但该方法不适合高速扫描。而电光式偏转是利用电光效应来改变光束的传播方向，其扫描速度由它本身的晶体所决定，可以实现高速扫描，但光束只能在一个维度进行偏转或扫描，不能实现二维光束偏转。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置及方法，以解决上述问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其包括：

钽酸锂晶体，所述钽酸锂晶体包括光输入面、与光输入面相对的光输出面、第一表面以及与第一表面相对的第二表面，第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面；所述第一表面与所述第二表面形成有对应设置的第一维光束偏转区，所述第三表面与所述第四表面形成有对应设置的第二维光束偏转区；其中：

所述第一维光束偏转区配置为在外加电场的作用下，基于电光效应使钽酸锂晶体折射率在该区域内发生变化，从而使光束偏转；

所述第二维光束偏转区在外加电场的作用下，基于类施特恩-格拉赫效应使钽酸锂晶体的主轴在该区域内发生旋转，且当满足准相位匹配条件时，输出光会发生偏转。

优选地，沿光束传播方向，所述第一维光束偏转区与所述第二维光束偏转区不产生重叠。

优选地，所述第一维光束偏转区包括设置在第一表面的用于连接电源正极的第一结构电极、以及设置在第二表面的用于连接电源负极的第一衬底电极。

优选地，所述第一结构电极由连续的多个等腰三角形单元沿光传输方向排列形成，且相邻的等腰三角形单元的底边形成接触。

优选地，所述第二维光束偏转区包括设置在第三表面的用于连接电源正极的第二结构电极、以及设置在第四表面的用于连接电源负极的第二衬底电极。

优选地，所述第二结构电极由连续的多个楔形单元沿光传输方向排列形成，且相邻的楔形单元的底边形成接触。

优选地，楔形单元的周期Λ＝λ/|n_o–n_e|以满足准相位匹配条件，λ为入射光波长，n_o为寻常光折射率，n_e为非寻常光折射率。

优选地，结构电极和衬底电极采用金制成，厚度为200nm。

本发明实施例还提供了一种基于如上述的基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置的二维光束偏转方法，其包括以下步骤：

将第一电压源的正极连接第一维光束偏转区的第一结构电极，负极连接第一衬底电极；

将第二电压源的正极连接第二维光束偏转区的第二结构电极，负极连接对应的第二衬底电极；

将偏振输入光从光输入面入射；

根据所需的光束偏转在对应的两电极间施加电压；其中，在第一维光束偏转区的两电极间施加电压实现第一维度的光束偏转，在第二维光束偏转区的两电极间施加电压则实现第二维度的光束偏转；两个维度的光束偏转角度和方向都通过调节各自的电压源的电压控制。

综上所述，本发明实施例把钽酸锂晶体分为第一维光束偏转区和第二维光束偏转区两个区域，可实现单独的第一维度的光束偏转或第二维度的光束偏转，也可以实现二维光束偏转。本实施例能解决当前光束偏转器件响应速度慢、体积庞大、单一维度偏转的问题，为二维光束偏转技术提供了一种新方案，具有易集成、高速率、体积小、多维度偏转等技术效果。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置的结构示意图。

图2是本发明具体实施例的一种工作效果示意图；

图3是本发明具体实施例的另一种工作效果示意图；

图4是本发明具体实施例的另一种工作效果示意图。

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其包括：

钽酸锂晶体10，所述钽酸锂晶体包括光输入面11、与光输入面11相对的光输出面12、第一表面13以及与第一表面13相对的第二表面14，第三表面15以及与所述第三表面15相对的第四表面16。

在本实施例中，钽酸锂的化学式为LiTaO₃，其为无色或浅黄色晶体。铁电相钽酸锂晶体是功能材料领域的“万能”材料，它具有良好的机械、物理性能和成本低等优点，并且作为非线性光学晶体、电光晶体、压电晶体、声光晶体和双折射晶体等在现今以光技术产业为中心的IT产业中得到了广泛的应用。

在本实施例中，所述光输入面11指向光输出面12的方向为光的传输方向，如图1中的y方向。

在本实施例中，所述第一表面13与所述第二表面14形成有对应设置的第一维光束偏转区17，所述第三表面15与所述第四表面16形成有对应设置的第二维光束偏转区18。其中，如图1所示，所述第一表面13指向所述第二表面14的方向为z方向，所述第三表面15指向所述第四表面16的方向为x方向。

在本实施例中，所述第一维光束偏转区17包括设置在第一表面13的用于连接电源正极的第一结构电极21、以及设置在第二表面14的用于连接电源负极的第一衬底电极22，其配置为在外加电场的作用下，基于电光效应使钽酸锂晶体折射率在该区域内发生变化，从而使光束偏转。

其中，具体地，所述第一结构电极21由连续的多个高度相等的等腰三角形单元沿光传输方向排列形成，且相邻的等腰三角形单元的底边形成接触。特别的，等腰三角形单元的高度为钽酸锂晶体10在x方向的长度，但不限于此。

在本实施例中，所述第二维光束偏转区18包括设置在第三表面的用于连接电源正极的第二结构电极23、以及设置在第四表面的用于连接电源负极的第二衬底电极24，其配置为在外加电场的作用下，基于类施特恩-格拉赫效应使钽酸锂晶体的主轴在该区域内发生旋转，且当满足准相位匹配条件时，使输出光发生偏转。

其中，具体地，所述第二结构电极23由连续的多个高度固定的楔形单元沿光传输方向排列形成，且相邻的楔形单元的底边形成接触。特别的，楔形单元的高度为钽酸锂晶体10在z方向的长度，但不限于此。

此外，需要说明的是，第二维度的光束偏转需要满足准相位匹配条件(结构电极周期Λ＝λ/|n_o–n_e|)才能实现光束偏转功能。由于第二结构电极23的周期Λ是固定的，因此需要控制输入光的波长λ或通过改变晶体折射率差|n_o–n_e|进行准相位匹配，这里，n_o为寻常光折射率，n_e为非寻常光折射率。

需要说明的是，上述的各个结构电极以及衬底电极可采用导电材料制成，如金、铝、银等导电金属。特别的，本实施例中，各个结构电极以及衬底电极由金制成，其厚度为200nm。该结构电极以及衬底电极可通过镀膜实现，具体的厚度可根据实际需要来设定。

在本实施例中，在实际的工作时，可以根据所需的光束偏转在对应的两电极间施加电压；其中，在第一维光束偏转区的两电极间施加电压实现第一维度的光束偏转，在第二维光束偏转区的两电极间施加电压则实现第二维度的光束偏转；两个维度的光束偏转角度和方向都通过调节各自的电压源的电压控制。以下将以一些实际的例子来说明本发明的应用。

(1)、在第一维光束偏转区17的第一结构电极21和第一衬底电极22间施加电压实现第一维度的光束偏转

首先将偏振光通过光输入面11入射进钽酸锂晶体10，其光束沿着第一结构电极21和第二结构电极23的中心轴线方向传播；

然后，将第一维光束偏转区域的第一结构电极21连接第一电压源的正极，其对应的第一衬底电极22连接第一电压源的负极，即在钽酸锂晶体10的第一维光束偏转区域17两层电极中施加电压。由于钽酸锂晶体10的电光效应，第一结构电极21区域下的钽酸锂晶体的折射率会发生变化，因此光的传播方向会沿x轴左右偏转。

其中，光束偏转的方向由外加电场方向控制，具体表现为，若电压源施加正电压，第一结构电极21区域下钽酸锂晶体的折射率会变大，根据折射定律，光束会往折射率高的地方偏转，从而实现光束偏转效果，而第一电压源施加负电压，则光束偏转的方向相反，如图2所示。

(2)、在第二维光束偏转区18的第二结构电极23和第二衬底电极24间施加电压实现第二维度的光束偏转

首先将偏振光通过光输入面11入射进钽酸锂晶体10，其光束沿着第一结构电极21和第二结构电极23的中心轴线方向传播；

然后，第二维光束偏转区域18的第二结构电极23连接第二电压源的正极，第二衬底电极24连接第二电压源的负极，即在钽酸锂晶体10的第二维光束偏转区域18两层电极中施加电压。在外加电场的作用下，第二结构电极23下钽酸锂晶体的主轴发生旋转，而其他区域的主轴保持不变。当满足准相位匹配条件(第二结构电极23的周期Λ＝λ/|n_o–n_e|)时，输出光的传播方向会沿着z轴上下偏转。

其中，光束偏转的方向由外加电场方向控制，具体表现为，若第二电压源施加正电压，光束往-z轴方向偏转，而第二电压源施加负电压，则光束往+z轴方向偏转，如图3所示。

(3)、同时在第一维光束偏转区17和第二维光束偏转区18的电极间施加电压

首先将偏振光通过光输入面11入射进钽酸锂晶体10，其光束沿着第一结构电极21和第二结构电极23的中心轴线方向传播；

然后，在第一维光束偏转区17的第一结构电极21连接第一电压源的正极，第一衬底电极22连接第一电压源的负极，同时，在第二维光束偏转区18的第二结构电极23连接第二电压源的正极，第二衬底电极24连接第二电压源的负极，即在钽酸锂晶体10的第一维光束偏转区17和第二维光束偏转区18同时施加电压。光束在经过钽酸锂晶体的第一维光束偏转区17时会沿着x轴方向偏转，在经过第二维光束偏转区18时会沿着z轴方向偏转，最终实现二维光束偏转，如图4所示。

其中，各个维度的光束偏转方向受施加在光束偏转区域电极间的电场方向控制，其偏转角度则受电场强度的大小控制，但最大偏转角度受限于晶体本身和结构电极的设计。

综上所述，本发明实施例把钽酸锂晶体分为第一维光束偏转区和第二维光束偏转区两个区域，可实现单独的第一维度的光束偏转或第二维度的光束偏转，也可以实现二维光束偏转。本实施例能解决当前光束偏转器件响应速度慢、体积庞大、单一维度偏转的问题，为二维光束偏转技术提供了一种新方案，具有易集成、高速率、体积小、多维度偏转等技术效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，包括：

钽酸锂晶体，所述钽酸锂晶体包括光输入面、与光输入面相对的光输出面、第一表面以及与第一表面相对的第二表面，第三表面以及与所述第三表面相对的第四表面；所述第一表面与所述第二表面形成有对应设置的第一维光束偏转区，所述第三表面与所述第四表面形成有对应设置的第二维光束偏转区；其中：

所述第一维光束偏转区配置为在外加电场的作用下，基于电光效应使钽酸锂晶体折射率在该区域内发生变化，从而使光束偏转；

所述第二维光束偏转区在外加电场的作用下，基于类施特恩-格拉赫效应使钽酸锂晶体的主轴在该区域内发生旋转，且当满足准相位匹配条件时，使输出光发生偏转。

2.根据权利要求1所述的基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，沿光束传播方向，所述第一维光束偏转区与所述第二维光束偏转区不产生重叠。

3.根据权利要求1所述的基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，所述第一维光束偏转区包括设置在第一表面的用于连接电源正极的第一结构电极、以及设置在第二表面的用于连接电源负极的第一衬底电极。

4.根据权利要求2所述基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，所述第一结构电极由连续的多个等高的等腰三角形单元沿光传输方向排列形成，且相邻的等腰三角形单元的底边形成接触。

5.根据权利要求3所述的基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，所述第二维光束偏转区包括设置在第三表面的用于连接电源正极的第二结构电极、以及设置在第四表面的用于连接电源负极的第二衬底电极。

6.根据权利要求5所述基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，所述第二结构电极由连续的多个楔形单元沿光传输方向排列形成，且相邻的楔形单元的底边形成接触。

7.根据权利要求5所述基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，楔形单元的周期Λ＝λ/|n_o–n_e|以满足准相位匹配条件，λ为入射光波长，n_o为寻常光折射率，n_e为非寻常光折射率。

8.根据权利要求5所述基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置，其特征在于，结构电极和衬底电极采用金制成，厚度为200nm。

9.一种基于如权利要求1至8任意一项所述的基于钽酸锂晶体的二维光束偏转装置的二维光束偏转方法，其特征在于，包括以下步骤：

将第一电压源的正极连接第一维光束偏转区的第一结构电极，负极连接第一衬底电极；

将第二电压源的正极连接第二维光束偏转区的第二结构电极，负极连接对应的第二衬底电极；

将偏振输入光从光输入面入射；

根据所需的光束偏转在对应的两电极间施加电压；其中，在第一维光束偏转区的两电极间施加电压实现第一维度的光束偏转，在第二维光束偏转区的两电极间施加电压则实现第二维度的光束偏转；两个维度的光束偏转角度和方向都通过调节各自的电压源的电压控制。