专利名称：产生单偏振的偏振器的制作方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种产生单偏振的偏振器，特别是一种基于加长棱镜中的表面等离子共振产生单偏振的偏振器，属于光电子通信和光信息处理领域。
背景技术：
近二十年来，随着激光技术特别是光通信技术的发展，光学偏振器件的研究和应用取得了长足的进步。其中，最为常见的是利用晶体中的双折射效应而采用的粘合双折射棱镜法制作的偏振器件，并且该类器件在实践中广为使用，对它的报道也较多。经文献检索，发现专利号为5,440,424的美国专利提出了一种利用粘合双折射棱镜来制作的偏振器件。该器件中，共粘合了七块双折射棱镜以实现其功能。首先，因为双折射效应的作用，第一块棱镜对入射激光光束的两种偏振分量的折射率不同，从而使它们在棱镜内的传播方向互相分离。后续的双折射棱镜的作用各不相同。第二快棱镜将两种偏振分量的分离量扩大到一定程度；第三块棱镜使这两个偏振分量产生半个波长的相差，从而使两个分量的偏振方向变得一样；接下来的四块棱镜以特定的方式组合，实现将这两个分量重新耦合到一起，变成一束单偏振的激光光束射出棱镜，实现了激光的偏振。
该器件能对激光光束进行起偏，并达到较高的偏振度(通常，这种器件能达到40dB以上的偏振消光比)。和这种器件相近，其它更为常用也更为简单的粘合棱镜的偏振器件还有洛匈(Rochon)棱镜、渥拉斯顿(Wollaston)棱镜、尼科耳(Nicol)棱镜以及其它的格兰类(Glan-type)棱镜等。但由于在这种粘合棱镜的结构中，棱镜的加工和光轴定向非常复杂，精度要求很高，例如，通常要求棱镜的切割面要完全平行于晶体的光轴，且粘合棱镜中，其相对的两个面之间的夹角需要加工的非常精确以保证其差值为一特定常数以满足双折射效应的最优化，两块棱镜粘合时还要注意其相对的光轴要完全正交或平行，光束入射时要完全平行或垂直与晶体的光轴。而这些要求在实际的机械加工和光学应用中通常难以完全满足，不可避免的使器件的性能有所降低。除此之外，有些棱镜的设计要求光束从棱镜的某一个面入射，而如果将光路逆转180度(这在光学应用中是常有的事)，器件的性能将与正向入射时有较大的差异。另外，两块棱镜的粘合通常使用加拿大树胶等材料，而这些材料的吸收也极大的限制了这类器件的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于表面等离子共振产生单偏振的偏振器，通过底面镀有金属膜的棱镜激发的表面等离子共振来实现激光的偏振，并通过加长棱镜中的多次表面等离子共振来达到较高的偏振消光比，从而使出射光束达到非常高的偏振度，同时本发明偏振器具有较小的插入损耗，性能与通光方向无关，即在正、反向通光时的性能相同，且具有操作简单、便于封装的特性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明偏振器由加长棱镜、底面金属膜，以及增透膜(一)、(二)构成，加长棱镜设置在底面金属膜上，增透膜(一)、(二)镀在加长棱镜两个侧面上，加长棱镜和底面金属膜形成衰减全反射结构。导入导出光纤接头(一)和(二)将激光束导入或导出偏振器，并且，光纤接头(一)、(二)相对于加长棱镜对称，其入射角为θ，且垂直于加长棱镜的两个入射面，由此加长棱镜、底面金属膜和介质薄膜形成衰减全反射结构，从光纤接头(一)入射的激光束所激发的表面等离子波就在加长棱镜和底面金属膜之间的界面上传播。
加长棱镜可采用高折射率棱镜(1.4＜n＜3.0)器件，加长棱镜的材料可以选择高折射率光学玻璃或晶体材料。加长棱镜的形状可根据实际需要确定，使入射光束在其下底面上发生多次(两次或两次以上)的内反射，其入射面可以选择平面、圆柱面、球面等其它常见或特殊形状。入射角应工作在表面等离子共振角附近。
加长棱镜入射和出射面上镀有增透膜，以减少器件插入损耗。加长棱镜的入射和出射面若采用平面，则应使其垂直于能够激发表面等离子共振的入射光束，即应使棱镜的底角等于表面等离子共振角。
底面金属膜一般选用对工作波长(可见到红外光频)吸收较小的金属。金属介电常数ε＝εr+iεi与工作波长有关，且底面金属膜的厚度应严格控制使等离子表面共振吸收最为强烈。金属种类可选择银、金、铝、铜等在工作波长范围内介电常数虚部较小的金属，一般要求其介电常数实部εr≤-8.0，介电常数虚部εi≤15.0，底面金属膜的厚度在15nm～60nm之间。
光纤接头可采用各种标准或特殊光纤接头，放置时使其正对棱镜两边侧面上的两个平面，即从光纤接头出射的激光光束能够垂直于入射面射入棱镜。
本发明中，在加长棱镜的底面上激发的表面等离子共振能够非常强烈的衰减入射激光光束中的P波(其振动方向平行于入射面)，而对S波(其振动方向垂直于入射面)则完全通过；因为在加长棱镜中，可以形成多次反射，多次激发衰减P波的表面等离子共振，从而可以达到很高的偏振消光比，并产生高偏振度的出射光束。同时，因为S波在器件中发生的都是全反射，从而能使器件具有较小的插入损耗。另外，对加长棱镜的底角的设计和入射、光纤接头的放置和入射、出射面上增透膜的设置，都能有效的降低插入损耗。
本发明用全新的思路实现了对激光光束的高度偏振，并且具有较小的插入损耗，同现有的通过粘合棱镜对激光光束进行偏振的技术相比，具备以下优点(1)偏振消光比高。利用本方法，通过多次激发加长棱镜底面上的表面等离子共振来实现对激光光束的高度偏振，其对P波的消光比可以达到50dB以上。
(2)较小的插入损耗。利用本发明装置，对S波而言，由于在加长棱镜内的各个反射面上发生的都是全反射，因而光强损失很小。同时，加长棱镜的底角的设计使激光光束能够在入射和出射面上形成垂直入射，并且在这两个面上都镀上了增透膜，从而能够有效的降低整个器件的插入损耗。通常可以等于或小于0.5dB。
(3)器件性能与通光方向无关。因为本器件的工作原理基于表面等离子共振，对光从哪个方向(正向、反向)入射无关，所以器件在正、反向通光时的性能相同，减少了实际应用的麻烦。
(4)操作简单、易于集成。本发明所述的偏振器件只需使激光从相应的光纤接头输入、输出，则可得到所需的高偏振度的出射光束，因此，操作简单，应用方便，易于集成。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明所述的偏振器，可以广泛应用于光电子通信、光学传感器、光学干涉仪和光信息处理等多个领域，尤其是光通信器件的加工、测试等环节，利用本发明技术，能够保证其具有高偏振消光比，低插入损耗，器件性能与通光方向无关，操作简单、易于集成等高技术性能。
图1本发明偏振器结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明偏振器由加长棱镜1、底面金属膜2，以及增透膜3和4构成，加长棱镜1设置在底面金属膜2上，增透膜3、4镀在加长棱镜1的两个侧面上；导入导出光纤接头5和6将激光束导入或导出偏振器，并且，光纤接头5、6相对于加长棱镜1对称，其入射角为θ，且垂直于加长棱镜1的两个侧面，由此，加长棱镜1和底面金属膜2形成衰减全反射结构，从光纤接头5入射的激光束所激发的表面等离子波就在加长棱镜1和底面金属膜2之间的界面上传播。
加长棱镜1可采用高折射率棱镜(1.4＜n＜3.0)器件，棱镜的材料选择高折射率光学玻璃或晶体材料，加长棱镜1的长度和高度满足使入射激光束5在表面等离子共振角下，在加长棱镜内发生两次或两次以上反射，入射角7工作在表面等离子共振角附近。
加长棱镜1入射和出射面上镀有增透膜3、4，加长棱镜1的入射和出射面若采用平面，则其垂直于激发表面等离子共振的入射激光束5，即加长棱镜1的底角等于表面等离子共振角7。
底面金属膜2选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数ε＝εr+iεi与工作波长有关，且底面金属膜2的厚度使等离子表面共振吸收最为强烈。金属种类可选择银、金、铝、铜在工作波长范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部εr≤-8.0，介电常数虚部εi≤15.0，底面金属膜2的厚度在15nm～60nm之间。
以下结合本发明所提出的基于加长棱镜中表面等离子共振的高效光比偏振器的三个实施例，对本发明作进一步的说明实施例1本发明偏振器由加长棱镜1、底面金属膜2，以及增透膜3和4构成，加长棱镜1设置在底面金属膜2上，增透膜3、4镀在加长棱镜1的两个侧面上，导入导出光纤接头5和6分别将激光束导入或导出偏振器，并且，光纤接头5、6相对于加长棱镜1对称，其对加长棱镜底面的倾角为53.7度，垂直于加长棱镜1的两个侧面，由此，加长棱镜1和底面金属膜2形成衰减全反射结构，从光纤接头5入射的激光束所激发的表面等离子波就在加长棱镜1和底面金属膜2之间的界面上传播。
加长棱镜1材料选用高折射率加长棱镜(ZF6，n＝1.7355)，其底角为36.3度，其高度约为1cm，上底面长度为2.7cm，下底面长度约为5.4cm，满足两次反射条件，能使激光光束能在其下底面形成两次反射；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜3、4，降低其反射损耗。入射角7工作在表面等离子共振角附近，也即36.3度。
激光从光纤接头5入射，波长为690.0nm；底面金属膜2材料采用银(690.0nm波长下ε＝-19.69+i1.24)，利用溅射方法镀在加长棱镜1的下底面上，厚度为46nm。接收从光纤接头6出射的激光，即可得高偏振度的激光光束。
实验和理论计算表明，本发明偏振器件对P波的消光比可以达到65dB以上，对S波的插入损耗约为0.4dB。
实施例2本发明偏振器由加长棱镜1、底面金属膜2，以及增透膜3和4构成，加长棱镜1设置在底面金属膜2上，增透膜3、4镀在加长棱镜1的两个侧面上，导入导出光纤接头5和6分别将激光束导入或导出偏振器，并且，光纤接头5、6相对于加长棱镜1对称，其对加长棱镜底面的倾角为45.7度，垂直于加长棱镜1的两个侧面，由此，加长棱镜1和底面金属膜2形成衰减全反射结构，从光纤接头5入射的激光束所激发的表面等离子波就在加长棱镜1和底面金属膜2之间的界面上传播。
加长棱镜1材料选用高折射率加长棱镜(普通光学玻璃，n＝1.5)，其底角为44.3度，其高度约为1.2cm，上底面长度为2.5cm，下底面长度约为4.9cm，满足两次反射条件，能使激光光束能在其下底面形成两次反射；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜3、4，以降低其反射损耗。入射角7工作在表面等离子共振角附近，也即44.3度。
激光从光纤接头5入射，波长为560.0nm；底面金属膜2材料采用银(560.0nm波长下ε＝-11.89+i0.83)，利用溅射方法镀在加长棱镜1的下底面上，厚度为47nm。接收从光纤接头6出射的激光，即可得高偏振度的激光光束。
实验和理论计算表明，本发明偏振器对P波的消光比可以达到65dB以上，对S波的插入损耗约为0.4dB。
实施例3本发明偏振器由加长棱镜1、底面金属膜2，以及增透膜3和4构成，加长棱镜1设置在底面金属膜2上，增透膜3、4镀在加长棱镜1的两个侧面上，导入导出光纤接头5和6分别将激光束导入或导出偏振器，并且，光纤接头5、6相对于加长棱镜1对称，其对加长棱镜底面的倾角为47.9度，垂直于加长棱镜1的两个侧面，由此，加长棱镜1和底面金属膜2形成衰减全反射结构，从光纤接头5入射的激光束所激发的表面等离子波就在加长棱镜1和底面金属膜2之间的界面上传播。
加长棱镜1材料选用高折射率加长棱镜(普通光学玻璃，n＝1.5)，其底角为42.1度，其高度约为0.8cm，上底面长度为3.5cm，下底面长度约为5.3cm，满足三次反射条件，使激光光束能在其下底面形成三次反射；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜3、4，以降低其反射损耗。入射角7工作在表面等离子共振角附近，也即42.1度。
激光从光纤接头5入射，波长为1550.0nm；底面金属膜2材料采用金(1550.0nm波长下ε＝-117.34+i10.95)，利用溅射方法镀在加长棱镜1的下底面上，厚度为26nm。接收从光纤接头6出射的激光，即可得高偏振度的激光光束。
实验和理论计算表明，本发明偏振器对P波的消光比可以达到60dB以上，对S波的插入损耗约为0.5dB。
权利要求
1.一种产生单偏振的偏振器，其特征在于由加长棱镜(1)、底面金属膜(2)，以及增透膜(3)和(4)构成，加长棱镜(1)设置在底面金属膜(2)上，增透膜(3)、(4)镀在加长棱镜(1)两个侧面上，加长棱镜(1)和底面金属膜(2)形成衰减全反射结构，激发的表面等离子波就在加长棱镜(1)和底面金属膜(2)之间的界面上传播。
2.根据权利要求1所述的产生单偏振的偏阵器，其特征是导入导出光纤接头(5)和(6)将激光束导入或导出偏振器，其中，光纤接头(5)、(6)相对于加长棱镜(1)对称，其入射角为θ，且垂直于加长棱镜(1)的两个侧面，由此加长棱镜(1)和底面金属膜(2)形成衰减全反射结构，从光纤接头(5)入射的激光束所激发的表面等离子波就在加长棱镜(1)和底面金属膜(2)之间的界面上传播。
3.根据权利要求1所述的产生单偏振的偏振器，其特征是加长棱镜(1)采用高折射率棱镜器件，折射率1.4＜n＜3.0，加长棱镜(1)的材料采用高折射率光学玻璃或晶体材料，加长棱镜(1)长度和高度满足入射激光束(5)在表面等离子共振角下、在加长棱镜(1)的底面上发生两次或两次以上反射，入射角(7)工作在表面等离子共振角附近。
4.根据权利要求1或3所述的产生单偏振的偏振器，其特征是加长棱镜(1)入射和出射面上镀有增透膜(3)、(4)，加长棱镜(1)的入射和出射面若采用平面，则其垂直于激发表面等离子共振的入射激光束(5)，即加长棱镜(1)的底角等于表面等离子共振角。
5.根据权利要求1所述的产生单偏振的偏振器，其特征是底面金属膜(2)选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数ε＝εr+iεi，底面金属膜(2)的厚度满足等离子表面共振吸收最为强烈，底面金属膜(2)的厚度在15nm～60nm之间。
6.根据权利要求5所述的产生单偏振的偏振器，其特征是金属选择在工作波长范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部εr≤-8.0，介电常数虚部εi≤15.0。
全文摘要
产生单偏振的偏振器属于光电子通信和光信息处理领域。偏振器由加长棱镜、底面金属膜以及增透膜构成，加长棱镜设置在底面金属膜上，增透膜镀在加长棱镜两个侧面上，加长棱镜和底面金属膜形成衰减全反射结构，激发的表面等离子波就在加长棱镜和底面金属膜之间的界面上传播。表面等离子共振只衰减激光光束中的P波，对激光光束中的S波则完全通过。本发明方法让激光光束从光纤接头导入，在表面等离子共振角入射，通过多次激发在镀有金属膜的加长棱镜底面上的表面等离子共振，完全地去除掉P波成分，只剩下S波成分，实现对激光光束的偏振。本发明偏振器偏振消光比高、低插入损耗、器件性能与通光方向无关、操作简单、易于集成。
文档编号G02B5/30GK1434307SQ03115558
公开日2003年8月6日 申请日期2003年2月27日 优先权日2003年2月27日
发明者陈洸, 曹庄琪, 刘选斌, 李翔, 沈启舜 申请人:上海交通大学