专利名称：高速电控全息晶体衍射分束器及其制备方法和基于该分束器实现的分束方法
技术领域：
本发明涉及一种分束器及其制备方法，以及一种分束方法。
背景技术：
在光通信、光计算、图像处理等诸多领域，分束器是基本的功能光学元件之一，应 用广泛。随着光网络及光信息处理系统的迅速发展，响应速度快(纳秒量级)、分束效果好、 性能可调的分束器成为必然的需求，然而现有的分束器均不能够满足以上所有需求。传统的光学分束器是利用折射_反射系统分束，存在结构复杂、体积大等缺点，无 法满足系统小型化、集成化的要求。
公开日为2006年3月15日、公开号为CN1746421A的申请文本中，公开了一种光 折变高阶衍射分束方法，该方法涉及一种全息光栅分束器的制作过程及利用该分束器进行 分束的过程，但由于其材料特性及其机理，无法实现分束性能的实时控制，即不能实现分束 器的开关两个状态。
公开日为2001年10月17日、公开号为CN1318158A的申请文本中，公开了一种电 控全息光开关，它虽然可实现对衍射光束的开关控制，但因其为单级衍射，因此只能够将一 束入射光束分为两束；此外，它必须满足特定的入射角才能够实现对入射光束的分束。
公开日为2009年10月7日、公开号为CN101551542A的申请文本中，提供了一种 电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器，虽然可以实现对衍射光束的开关控制，但存 在以下两个缺点第一，由于其核心材料聚合物分散液晶的电场响应速度(即开关时间)在 毫秒量级，无法满足高速光网路的需求；第二，其只能实现开关两个状态，而无法控制衍射 光的强度和级数，器件的可操作性差。
发明内容
本发明的目的是解决现有的分束器及分束方法中存在的不能实时控制分束开关、 只能将光束分为两束以及电控分束响应速度慢的问题，提供了一种高速电控全息晶体衍射 分束器及其制备方法和基于该分束器实现的分束方法。高速电控全息晶体衍射分束器，它由一个顺电相电控全息晶体构成，所述晶体有 两个通光面，该两个通光面均垂直于该晶体的[100]轴，其中一个通光面作为光输入端，另 一个通光面作为光输出端，所述晶体内刻有光栅，该光栅的刻线间距满足Raman-Nath衍射 条件，光栅的波矢方向平行于该晶体的
轴，且光栅面垂直于该晶体的[100]轴。高速电控全息晶体衍射分束器的制备方法，它的过程如下
步骤A1、在顺电相电控全息晶体的W01]轴方向的两端之间外加直流电场，且所述直
流电场的场强；
步骤A2、令两束相干光束入射到该晶体的光输入端，并使两束相干光束在晶体内相交，两束相干光束间的夹角d满足Raman-Nath衍射条件；
步骤A3、顺电相电控全息晶体内形成一个光栅，且该光栅的刻线间距满足Raman-Nath 衍射条件，光栅的波矢方向平行于该晶体的
轴；待光栅稳定后，获得的刻有该光栅的 顺电相电控全息晶体，即高速电控全息晶体衍射分束器。基于高速电控全息晶体衍射分束器实现的分束方法，它的过程如下
步骤B1、将高速电控全息晶体衍射分束器放置于待分束的光路中，使待分束的光束入 射到所述分束器的光输入端，此时，该分束器的光输出端输出一束出射光束；
步骤B2、在所述分束器的W01]轴方向的两端之间外加电场，该电场的场强为&，且
E。# 0，则所述分束器的光输出端输出N束光束，N为大于2的正整数，且N的大小由&决定。本发明的积极效果
(1)利用本发明的高速电控全息晶体衍射分束器对光束进行分束时，能够实现对光束 的高速电控分束，其分束性能中对外电场的响应时间为晶体电光效应的响应时间，为纳秒 量级，远优于液晶及机械分束器，可满足光网络对高速光器件的要求；
(2)本发明的分束器在不加电压时的衍射效率为0，入射光束沿原方向透射输出；而在 加电压时，分束器能够实现多级分束，输出多束光束，且衍射光强度和分束级数都可由外电 压控制。
图1为两相干光制备高速电控全息晶体衍射分束器的示意图；图2为基于相干光 产生装置获得的两相干光制备高速电控全息晶体衍射分束器的示意图；图3是无外加电场 条件下，经高速电控全息晶体衍射分束器的输入光束透射输出的示意图；图4是在外加电 场(场强不为零)作用下，高速电控全息晶体衍射分束器将输入光束分为多束输出的示意 图；图5至图7是三种实验条件下分别获得的实验结果图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的高速电控全息晶体衍射分束器，它由一个顺电相 电控全息晶体构成，所述晶体有两个通光面，该两个通光面均垂直于该晶体的[100]轴，其 中一个通光面作为光输入端，另一个通光面作为光输出端，所述晶体内刻有光栅，该光栅的 刻线间距满足Raman-Nath衍射条件，光栅的波矢方向平行于该晶体的
轴，且光栅面 垂直于该晶体的[100]轴。其中，所述Raman-Nath衍射条件，即Q值小于1，其中Q值的表达式为
Q=2ji入L/nA2。其中，入是入射光波长，n为折射率，L为光栅厚度，A为光栅间距。光栅衍射一般包括Bragg衍射和Raman-Nath衍射，通常用Q值来区分这两种衍 射当Q》1时，出现Bragg衍射；当Q<1时，出现Raman-Nath衍射。Bragg衍射只能把入射 光分为两束，而Raman-Nath衍射可将入射光分成多束(大于两束)。在应用中，由于该分束器中的顺电相电控全息晶体的独特电光性质，其内部光栅 的衍射受。控制，其中Es。为光折变空间电荷场的场强，&为外加电场的场强。因光栅 稳定时，Esc不发生改变，而&可通过对外加电场的控制进行调节，因此，通过控制该外加电场的场强，即可实现控制光栅的衍射，进而控制所述分束器的开关状态。将该分束器放置于待分束的光路中，并使待分束的光束入射到所述分束器的光输入端，然后在顺电相电控全息晶体的W01]轴方向的两端之间外加电场，即电场的一个电 极与该晶体在W01]轴方向的一端相连，电场的另一个电极与该晶体在W01]轴方向的另 一端相连，所述电场的场强为&，其中，外加电场可为直流电场或交流电场。当无分束需要时，令&=0，则此时入射光束直接通过分束器(即在分束器的光输出端只输出一束激光束)，而不发生衍射(衍射效率为0)，即此时分束器处于关状态；
当有分束需要时，令,则此时在外加直流或交流电压的作用下，入射光会发生
Raman-Nath衍射，使分束器的光输出端输出N束激光束，其中包括一束沿入射光方向的出射光束和多级衍射光束，N为大于2的正整数，且N的大小由&决定。衍射光的强度和分束 级数，随外加直流或交流电压变化。由此，本实施方式的分束器，可根据实际需要对分束输 出光束的数量进行调整。衍射光束之间的夹角近似相等，且在距光栅相等距离处的波前形 态相同。此外，本实施方式的分束器的分束性能中对外电场的响应时间等于晶体电光效应的响应时间，在纳秒量级，远优于液晶及机械分束器，可满足光网络对高速光器件的要求。所述顺电相电控全息晶体的材料可采用能够产生电控光折变效应的任意顺电相电光材料，包括有机材料或无机材料，它的尺寸根据具体产品要求而定，当选定了它的材料 之后，其折射率即可确定，根据其他条件即可判断顺电相电控全息晶体是否可以产生电控 Raman-Nath 衍射。在本实施方式中，所述光栅的厚度小于0. 5mm，为薄光栅，光栅的厚度 方向为沿晶体的[100]轴方向。具体地，若所述顺电相电控全息晶体的尺寸为 4. 00mmX2. OOmmXO. 48mm,则光栅厚度应小于0. 48mm，晶体在
轴方向的长度为 4. 00mm，在W01]轴方向的长度为2. 00mm，在[100]轴方向的长度为0. 48mm。所述顺电相 电控全息晶体采用掺杂锰的顺电相钽铌酸钾锂晶体。所述顺电相电控全息晶体在W01]轴方向的两端分别镀有金属电极，本实施方式中所述金属电极实际采用了银电极，用以加载电场。
具体实施方式
二 结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的高速电控全息晶体衍射分束器的制备方法，它的过程如下
步骤A1、在顺电相电控全息晶体的W01]轴方向的两端之间外加直流电场(即直流电 场的一个电极与该晶体在W01]轴方向的一端相连，直流电场的另一个电极与该晶体在轴方向的另一端相连)，且所述直流电场的场强为Ew，EW#0 ；
步骤A2、令两束相干光束入射到该晶体的光输入端，并使两束相干光束在晶体内相交， 两束相干光束间的夹角d满足Raman-Nath衍射条件；
步骤A3、顺电相电控全息晶体内形成一个光栅，且该光栅的刻线间距满足Raman-Nath 衍射条件，光栅的波矢方向平行于该晶体的
轴；待光栅稳定后，获得的刻有该光栅的 顺电相电控全息晶体，即高速电控全息晶体衍射分束器。以上过程可参见图1，其中所述直流电场的一个电极极板电压为V=VW，且Vw不为零，另一个电极极板接地。
由于顺电相电控全息晶体的独特电光性质，其内部折射率光栅的衍射受&乂艮。控 制，其中Es。为光折变空间电荷场的场强，光栅稳定后Es。不再变化，E0为外加电场的场强， 其变化可实现对光栅衍射的控制。所以当光栅稳定后，电控全息晶体就变成了电控分束元 件。其中外加电场可为直流电场或交流电场。在本发明中为了得到尽量多的高阶衍射光输出，两束相干光的夹角0应满足 Raman-Nath衍射条件，一般小于4度，光栅厚度小于0. 5mm。在本实施方式中，步骤A2中所述的两束相干光束是基于一个相干光产生装置获 得的，所述相干光产生系统由激光器1、分束镜2、第一反射镜3和第二反射镜4组成；
参见图2，步骤A2中所述的令两束相干光束入射到该晶体的光输入端，并使两束相干 光束在晶体内相交的具体过程为
激光器1输出一束激光束，该激光束入射到分束镜2后分为反射光束和透射光束，反 射光束经第一反射镜3反射至顺电相电控全息晶体内的光输入端，透射光束经第二反射镜 4反射至顺电相电控全息晶体内的光输入端，然后反射光束和透射光束在该晶体内相交干 涉。图2中，直流电场的一个电极极板电压为V=VW，且Vw不为零，另一个电极极板接地。 激光器1输出的激光波长可为532. 0纳米。
具体实施方式
三本实施方式的基于高速电控全息晶体衍射分束器实现的分束方 法，它的过程如下
步骤B1、将高速电控全息晶体衍射分束器放置于待分束的光路中，使待分束的光束入 射到所述分束器的光输入端，此时，该分束器的光输出端输出一束出射光束；
步骤B2、在所述分束器的W01]轴方向的两端之间外加电场，该电场的场强为&，且
E0 ^ 0 ,则所述分束器的光输出端输出N束光束，N为大于2的正整数，且N的大小由&决
定；
其中，步骤B2中外加电场可为直流电场或交流电场。本实施方式可实现对入射光束的高速电控分束，其对外电场的响应时间为晶体电 光效应的响应时间，即在纳秒量级，远优于液晶及机械分束器，可满足光网络对高速光器件 的要求；且本实施方式的电控性能好，当不加电压时(即仏等于0时)，入射光直接通过，不 被衍射分束，即分束器为关状态；当施加电场时(即&不等于0时)，入射光被衍射分束，即 分束器为开状态。而且衍射光的强度和分束级数，随外加直流或交流电压变化。应用本发明可对携带信息的光束进行分束，如图像等，而且本发明具有较广的应 用范围，可应用于光学互联、图像处理、光计算等领域。下面提供一个具体实施例
在本实施方式的高速电控全息晶体衍射分束器的制备过程中，激光器1输出的激光波 长为532. 0纳米，顺电相电控全息晶体选用掺杂锰的顺电相钽铌酸钾锂晶体，其中Mn的摩 尔浓度为0. 5%，晶体尺寸为4. 00 X 2. 00 X 0. 48mm3 (立方毫米)，其中晶体在
轴方向的 长度为4. 00mm，在W01]轴方向的长度为2. 00mm，在[100]轴方向的长度为0. 48mm ；两束 相干光束的强度为12mW/cm2(毫瓦每平方厘米)，夹角为1度，相干光的偏振方向在入射平 面内，且其偏振方向垂直于钽铌酸钾锂晶体的W01]轴方向，外电压加在晶体W01]方向。 晶体被相干光束照射2分钟后，光栅达到稳定。
其中，所述“相干光的偏振方向在入射平面内，且其偏振方向垂直于钽铌酸钾锂晶 体的
轴方向，外电压加在晶体
方向”这一条件是为了在钽铌酸钾锂晶体内获得 最佳的折射率光栅，从而达到Raman-Nath衍射的最佳状态。制备完分束器后，将波长为532. 0纳米的激光束入射到该分束器上，当不在分束 器上加电压时(即电压v=0)，该激光束直接通过分束器，不被衍射分束，即分束器为关状态， 该过程的示意图可参见图3 ；当在分束器上施加300V的直流电压时，在分束器的输出端会 看到夹角大小相等的10个衍射光束出现，即分束器为开状态，该过程的示意图可参见图4， 实验结果可参见图5 ；当在分束器上施加220V的直流电压时，在分束器的光输出端会看到 夹角大小相等的6个衍射光束出现，此时，分束器也为开状态，该过程的示意图同样可参见 图4，实验结果参见图6 ；对比图5和图6还可以发现，两种电压条件下，输出端光束的强度 也有差别。由此可见，通过改变外加电压的强弱，可以控制输出端光束的强度和数目。然后，将波长为632. 8纳米的激光束(取代波长为532. 0纳米的激光束)入射到该 分束器上，并在分束器上施加300V的直流电压，此时，将会在分束器的光输出端看到夹角 大小相等的8个衍射信号光出现，如图7所示。
权利要求
高速电控全息晶体衍射分束器，它由一个顺电相电控全息晶体构成，所述晶体有两个通光面，该两个通光面均垂直于该晶体的[100]轴，其中一个通光面作为光输入端，另一个通光面作为光输出端，其特征在于所述晶体内刻有光栅，该光栅的刻线间距满足Raman-Nath衍射条件，光栅的波矢方向平行于该晶体的
轴，且光栅面垂直于该晶体的[100]轴。
2.根据权利要求1所述的高速电控全息晶体衍射分束器，其特征在于所述光栅的厚度 小于0. 5mm。
3.根据权利要求1或2所述的高速电控全息晶体衍射分束器，其特征在于所述顺电相 电控全息晶体的尺寸为4. 00mmX2. 00mmX0. 48mm，且其在WlO]轴方向的长度为4. 00mm, 在W01]轴方向的长度为2. 00mm，在[100]轴方向的长度为0. 48mm，光栅的厚度小于 0. 48mm。
4.根据权利要求1所述的高速电控全息晶体衍射分束器，其特征在于所述顺电相电控 全息晶体采用掺杂锰的顺电相钽铌酸钾锂晶体。
5.根据权利要求1所述的高速电控全息晶体衍射分束器，其特征在于所述顺电相电控 全息晶体在W01]轴方向的两端分别镀有金属电极。
6.高速电控全息晶体衍射分束器的制备方法，其特征在于它的过程如下步骤A1、在顺电相电控全息晶体的W01]轴方向的两端之间外加直流电场，且所述直流电场的场强；步骤A2、令两束相干光束入射到该晶体的光输入端，并使两束相干光束在晶体内相交， 两束相干光束间的夹角d满足Raman-Nath衍射条件；步骤A3、顺电相电控全息晶体内形成一个光栅，且该光栅的刻线间距满足Raman-Nath 衍射条件，光栅的波矢方向平行于该晶体的
轴；待光栅稳定后，获得的刻有该光栅的 顺电相电控全息晶体，即高速电控全息晶体衍射分束器。
7.根据权利要求6所述的高速电控全息晶体衍射分束器的制备方法，其特征在于 步骤A2中所述的两束相干光束是基于一个相干光产生装置获得的，所述相干光产生系统由激光器(1)、分束镜(2)、第一反射镜(3)和第二反射镜(4)组成；步骤A2中所述的令两束相干光束入射到该晶体的光输入端，并使两束相干光束在晶 体内相交的具体过程为激光器(1)输出一束激光束，该激光束入射到分束镜(2)后分为反射光束和透射光束， 反射光束经第一反射镜(3)反射至顺电相电控全息晶体内的光输入端，透射光束经第二反 射镜(4)反射至顺电相电控全息晶体内的光输入端，然后反射光束和透射光束在该晶体内 相交干涉。
8.根据权利要求6所述的高速电控全息晶体衍射分束器的制备方法，其特征在于激光 器(1)输出的激光波长为532. 0纳米。
9.基于高速电控全息晶体衍射分束器实现的分束方法，其特征在于它的过程如下 步骤B1、将高速电控全息晶体衍射分束器放置于待分束的光路中，使待分束的光束入射到所述分束器的光输入端，此时，该分束器的光输出端输出一束出射光束；步骤B2、在所述分束器的W01]轴方向的两端之间外加电场，该电场的场强为仏，且E。# 0 ,则所述分束器的光输出端输出N束光束，N为大于2的正整数，且N的大小由&决定。
全文摘要
高速电控全息晶体衍射分束器及其制备方法和基于该分束器实现的分束方法，涉及一种分束器及其制备方法和分束方法，解决了现有技术中存在的不能实时控制分束开关、只能将光束分为两束以及分束响应速度慢的问题。本发明的分束器由顺电相电控全息晶体构成，晶体内刻有Raman-Nath光栅。分束器的制备过程为在晶体两端加直流电场，令两束相干光入射到该晶体内相交干涉，在晶体内形成一个稳定的Raman-Nath光栅。利用该分束器实现的分束方法，其过程如下将分束器置于光路中，使待分束光束通过分束器，当需要分束时，在分束器两端加直流或交流电场，即可实现分束。本发明可用于光学互联、图像处理、光计算等领域中，可实现高速电控分束。
文档编号G02F1/03GK101799593SQ20101015424
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者周忠祥, 宫德维, 田 浩, 赵娜 申请人:哈尔滨工业大学