光学偏转器的制作方法

本发明涉及一种使用具有透光性的离子导电材料的光学偏转器。

背景技术：

jp2017-173350a描述了一种控制诸如激光之类的光的行进方向的光学偏转器，其中以这种方式使用具有电光(eo)效应的电光材料使得通过eo效应改变折射率。注意到，eo效应是当对物质施加电场时物质的折射率发生改变的现象。

jp2017-173350a中描述的光学偏转器包括构造成透射激光束等的电光材料，并且一对电极设置有插设于其间的电光材料。通过改变电光材料的折射率来控制光的行进方向。与通过移动诸如检流计镜的反射镜来控制光的行进方向的系统不同，可以通过这种类型的不具有诸如反射镜之类的可移动部件的光学偏转器来高速地控制光的行进方向。

技术实现要素：

在这种类型的光学偏转器中，入射在电光材料上的入射光在透射通过电光材料时通过折射率的变化而偏转。然后，在控制行进方向之后，偏转光作为发射光被发射。随着电光材料的折射率的变化量增加，入射光由折射偏转的偏转角增加。从提高光学偏转器的性能的观点出发，优选的是能够在大范围内控制偏转光。

jp2017-173350a中描述的光学偏转器使用ktn(钽铌酸钾)或bt(钛酸钡)作为电光材料。

然而，例如在温度为60℃且电场强度为500v/mm的条件下，在ktn中在633nm的波长处由于eo效应引起的折射率变化小至约0.015。当电场施加到ktn时，折射率变化δn用以下等式1表示，其中e是电场强度，n0是ktn的折射率，ε0是真空中的介电常数，且εr是相对介电常数。

等式1：δn＝-0.136/2xn0³ε0²εr²e²

如等式1所示，当施加电场时，ktn的折射率变化δn与折射率的立方、真空中的介电常数的平方、相对介电常数的平方以及电场的平方成比例。因此，作为增加ktn的折射率变化量的方法，可以想到的是增加电场强度e和/或相对介电常数εr。

然而，增加电场强度e不是优选的，因为这意味着更高的电压。此外，由于ktn的相对介电常数εr具有温度依赖性，因此需要控制温度以增大相对介电常数εr。即，使用ktn的光学偏转器难以以低电压驱动并且需要温度控制。

除ktn以外的其他电光材料例如是bt、ln(铌酸锂)、plzt(锆钛酸镧铅)等，但他们由于eo效应而引起的折射率变化小于ktn的折射率变化。

本公开的目的是提供一种可以以较低电压驱动并且不需要温度控制的光学偏转器。

根据本公开的一方面，一种光学偏转器包括：透光部分，该透光部分透射光；以及电极，该电极设置成彼此相对并且该透光部分插设在该电极之间。透光部分是由单晶体或多晶体制成的透明离子导体并且预定电压通过电极施加到透光部分以使离子在透明离子导体内部移动，以改变穿过透光部分的光的行进方向。

因此，光学偏转器具有由透明离子导体组成的透光部分，其中离子通过施加电场在晶体中移动。与常规的电光材料不同，该透明离子导体是一种光学晶体，其由于施加电场而使离子移动并且即使在常温条件下也在较低电压下具有大的折射率变化。因此，通过使用该透明离子导体作为透光部分，提供了可以以比过去低的电压驱动并且不需要温度控制的光学偏转器。

附图说明

图1是示出根据一实施例的具有偏转状态的光学偏转器的图。

图2是示出作为透明离子导体的llz烧结压坯的图。

图3是示出用于以椭圆偏振光谱法测定llz烧结体的光学特性和光照射状态的样品的图。

图4是示出图3的样品通过椭圆偏振光谱法的测量结果的曲线图。

图5是示出图3的样品通过椭圆偏振光谱法的测量结果的曲线图。

图6是示出使用在图4和图5中获得的数据计算的llz烧结体的折射率的曲线图。

图7是示出折射率相对于llz烧结体的所施加电压的变化的曲线图。

图8是示出其中将ktn用作电光材料的比较例的光学偏转器中的偏转状态的图。

图9是示出在图1的光学偏转器中在偏转期间透光部分的估计变化的图。

图10是示出在该实施例的变形例中光学偏转器和偏转状态的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。在以下实施例中，相同或等同的部分由相同的附图标记表示。

将参照图1描述根据一实施例的光学偏转器。光学偏转器适用于例如透镜、棱镜、反射镜、光感测装置等，而且可以应用于其他应用。在图1中，为了易于理解该构造，将放大稍后将描述的透光部分1以及电极2和3的厚度。

(光学偏转器的构造)

如图1所示，本实施例的光学偏转器包括使光透射的透光部分1以及彼此相对且其间插设透光部分1的第一电极2和第二电极3。在光学偏转器中，通过由电极2和3向构成透光部分1的电光材料施加电压来改变折射率，以控制入射在透光部分1上的光束的行进方向。

如图1所示，透光部分1具有呈前后关系的第一表面1a和第二表面1b，以及位于第一表面1a和第二表面1b之间的侧表面1c。透光部分1例如是板状基底，比如正方形板。第一电极2设置在第一表面1a上，并且第二电极3设置在第二表面1b上。透光部分1由当施加低电压时具有比常规电光材料大的折射率变化的电光材料制成。具体地，透光部分1由透明离子导体制成，这稍后将详细描述。

电极2、3例如连接到驱动电源v，如图1所示，并且其用于对透光部分1施加电场。从当电场施加到透光部分1时使载流子有效移动的观点出发，电极2和3例如由au、pd、ni、ir和pt中的一种作为主要成分制成。

主要成分是指在整体上具有构成第一电极2或第二电极3的最大比例材料的成分。电极2和3不限于由上述材料制成，并且可以由诸如ito(氧化铟锡)或zno的透明传导材料制成，或者可以由另一种材料制成。

在说明本实施例的光学偏转器的基本构造的同时，注意到，本实施例的光学偏转器通过利用电光材料的eo效应来控制光的行进方向。本实施例的光学偏转器也可以称为“eo光学偏转器”。

(操作原理)

将参照图1描述根据本实施例的光学偏转器的操作原理。在图1中，入射光l1的光轴由单点划线表示。

在光学偏转器中，例如，如图1所示，入射光l1从光源(未示出)沿着关于侧表面1c的法线方向(以下称为“法线方向”)施加到透光部分1。当将电压施加至分别形成在第一表面1a和第二表面1b上的电极2和3时，电场沿正交于侧表面1c的法线方向，即垂直于入射光l1的光轴的方向，施加至透光部分1。

当通过电极2和3向透光部分1施加预定电场时，构成透光部分1的透明离子导体的折射率由于eo效应而改变。此时，已进入透光部分1的光l2的行进方向如图1所示在透光部分1内部变化。在通过对透光部分1施加电场使光l2偏转之后，光l2被从例如与侧表面1c相反的表面作为发射光l3发射。

如图1所示，入射光l1的光轴与发射光l3之间的角定义为偏转角θ。偏转角θ根据透光部分1中的折射率变化量而变化。由于eo效应而导致的折射率变化量根据透光部分1的电场强度而变化。也就是说，可以通过控制施加到电极2和3的电压来控制透光部分1中的偏转角θ。

以上是光学偏转器的基本工作原理。

光学偏转器可以在没有温度控制的状态下即在室温下使用。可以以例如在0v和8v之间的范围内的低电压驱动光学偏转器。原因将在后面详细描述。本说明书中使用的术语“低电压驱动”是指eo光学偏转器可以在比改变传统eo光学偏转器的折射率所需的电压至少小一位的电压范围中进行驱动。例如，低电压可以处于介于2v和8v之间的范围内。

(透明离子导体)

将描述透明离子导体。

透明离子导体是具有光学透明性和离子传导性的光学材料，并且是单晶体或多晶体。用作透光部分1的透明离子导体具有间隙，当施加电场时，离子可穿过该间隙在晶体中移动。选择具有高离子传导性的材料作为透明离子导体。

例如，透明离子导体包括具有由a3b2c3o12(a，b和c是任意金属元素)的组成式表示的诸如li7la3zr2o12的石榴石型晶体结构的氧化物作为主要成分。在本实施例中，透光部分1由具有由li7la3zr2o12为主要成分制成并掺杂有诸如al、nb或ta等元素m作为杂质的立方石榴石型晶体结构的透明离子导体形成。

在下文中，为了描述的简洁和清楚，将包含li7la3zr2o12作为主要成分并且掺杂有选自由al、nb和ta组成的组的至少一种元素m的透明锂离子导体简称为锂离子导体“llz”。

llz是在空气中稳定的晶体并且在约25℃的室温下具有约2.7×10^-4scm^-1的高li离子传导性。如果需要，可以通过调节元素m的掺杂浓度来进一步增加构成透光部分1的透明离子导体的li离子传导性。llz的li离子传导性可调节为约1.0×10^-3scm^-1。当透光部分1由具有高离子传导性的光学材料制成时，可以增加由于eo效应的折射率变化量。稍后将描述上述构造。

在透光部分1由llz作为主要成分制成的情况下，llz的被光照射的部分，例如，图1中的透光部分1的侧表面1c，优选地覆盖有另一透明体。

具体地，当llz晶体中的li与源自h2o的氢交换时，lioh产生并与大气中的co2反应以形成li2co3膜。随着膜形成的进行，可以在llz晶体中移动的li的量减少，并且li离子传导性降低。因此，优选的是，通过覆盖透明体并将其用作保护膜来防止上述li-h交换。

(llz烧结体的制造方法)

将对构成透光部分1的llz烧结体的制造方法进行说明。

用于获得llz烧结体的原料是由具有立方石榴石型晶体结构的氧化物制成的颗粒，其中选自由al、nb和ta组成的组的至少一种元素m固溶至作为基质的llz。在下文中，为了简化起见，将用作用于获得llz烧结体的原料的上述颗粒称为“llz颗粒”。

首先，使含li的含li原料、含la的含la原料、含zr的含zr原料和含m的含m原料与诸如水或醇的溶剂中的含氧羧酸反应以形成金属配合物。在下文中，为方便起见，将该步骤称为“第一步骤”。注意，氧羧酸可以是金属配合物的配体。

含li原料是例如选自由li的硝酸盐、氯化物、氢氧化物、氧化物、硫酸盐、羧酸盐、卤化物和醇盐组成的组中的至少一种原料。相对于在llz化学计量组成中的li，含li原料包含处于介于100％至110％之间的范围内，优选处于介于102％至105％之间的范围内的li。

含la原料例如选自由la的硝酸盐、氯化物、氢氧化物、氧化物、硫酸盐、羧酸盐、卤化物和醇盐组成的组。

含zr原料例如选自由zr的硝酸氧盐、氯氧化物、氢氧化物、氧化物、硫酸盐、羧酸盐、卤化物和醇盐组成的组。

含m原料例如选自由m的硝酸盐、氯化物、氢氧化物、氧化物、硫酸盐、羧酸盐、卤化物和醇盐组成的组。

含li原料、含la原料、含zr原料和含m原料可溶于水或醇并且适于促进配合物的形成。

含氧羧酸例如选自由柠檬酸、酒石酸、苹果酸、丙醇二酸、甘油酸、氧丁酸、氢丙烯酸、乳酸和乙醇酸组成的组。柠檬酸是优选的，因为柠檬酸可以确实地促进与上述原料形成配合物。

随后，使在第一步骤中获得的金属配合物与多元醇进行聚合反应以获得金属配合物聚合物。在下文中，为方便起见，将该步骤称为“第二步骤”。第二步骤例如通过在介于40℃和300℃之间的温度范围内依次进行溶剂的多元醇的蒸发和酯化的聚合反应来进行。

多元醇通常是二醇。具体地，多元醇选自由例如乙二醇、丙二醇、三亚甲基二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇和1，6-己二醇组成的组。为了促进聚合反应，优选的是乙二醇。乙二醇便宜且易于处理。

第二步骤可以在加热以蒸发溶剂和加热以进行酯化的两个阶段中进行。

第二步骤中获得的金属配合物聚合物例如在介于700℃和800℃之间的温度范围内烧制。在下文中，为方便起见，将该步骤称为“第三步骤”。第三步骤是将金属配合物聚合物碳化、去除不必要的有机物并且然后进行热分解的步骤。为了依次进行碳化、去除有机物和热分解，上述温度范围是优选的。此外，第三步骤优选在含氧气氛中进行。

第三步骤可以包括逐步进行的多个烧制。具体地，第三步骤包括用于碳化的第一烧制、用于去除有机物的第二烧制以及用于热分解的第三烧制。在这种情况下，用于第一烧制的温度范围例如处于介于300℃和500℃之间的范围内。用于第二烧制的温度范围处于介于500℃和700℃之间的范围内。用于第三烧制的温度范围处于介于700℃和800℃之间的范围内。此外，第三烧制优选地在含氧气氛中进行。

通过第一至第三步骤获得由具有立方石榴石型晶体结构的氧化物组成的llz颗粒，其中元素m溶解在作为基底的llz中。llz颗粒具有例如处于0.3μm至3μm范围内的颗粒尺寸。llz颗粒均匀且细。通过使用这样的均匀且细的颗粒，可以制造构成透光部分1的llz烧结体。

使用llz颗粒作为原料进行第一烧结。在下文中，为方便起见，将该步骤称为“第四步骤”。第四步骤例如通过冷液压成型法、单轴压成型法等在介于1100℃和1200℃之间的温度范围内进行介于0.5小时和50小时之间的时间段。此外，第四步骤优选在含氧气氛中进行。例如，第四步骤优选在其中氧流动的气氛中进行。在第四步骤的第一烧结中，彼此接触的llz颗粒引起彼此表面扩散反应。因此，引起晶粒生长并且减少了孔。结果，获得整体上收缩的模制物品。

从确保透光性的观点出发，第四步骤优选地进行至模制物品的孔隙体积比为5％或更小，但不限于此，以将在下一步骤中获得的llz烧结体的孔隙体积比减小至例如0.5％或更小。孔隙体积比例如可以通过在对模制体的横截面进行研磨后进行sem观察并计算所得横截面的sem照片中孔隙体积比来获得。

随后，通过热等静压法将在第四步骤中获得的模制体在含氧气氛中进行第二烧结。在下文中，为方便起见，将该步骤称为“第五步骤”。第五步骤例如在1000℃至1200℃的温度范围内在氧分压为9.8×10^-5pa/cm²或更大的含氧气氛中进行。第五步骤在例如9.8mpa/cm²或更大且196mpa/cm²或更小的压力范围内进行0.5至10小时。

从确保透光性的观点出发，第五步骤优选地进行至llz烧结体的孔隙体积比变为例如0.5％或更小，但并不限定于此。由此，可以进一步除去第四步骤中得到的压坯中包含的孔，并且可以制造致密的llz烧结体。

根据上述制造方法，得到llz烧结体作为如图2所示的具有光学透明性的光学晶体。图2所示的llz烧结体是以预定浓度掺杂有al的al-llz并且具有几乎100％的相对密度。

(向llz施加电场时的折射率变化)

将参照图3至图7描述通过上述制造方法获得的llz烧结体的折射率由于eo效应而引起的变化。

llz烧结体10和ito电极11的厚度在图3中被放大以使后述的测量样品和椭圆偏振光谱法易于理解。在图4至图6中，实线表示当施加到llz烧结体10的电压为0v时的测量结果。虚线表示当施加到llz烧结体10的电压为2v时的测量结果。单点划线表示当施加到llz烧结体10的电压为4v时的测量结果。双点划线表示当施加到llz烧结体10的电压为6v时的测量结果。

首先，将描述为改变折射率而制备的测量样品。

例如，如图3所示，制备测量样品，其中ito电极11形成在板状llz烧结体10的上表面和下表面上。测量样品中的llz烧结体10的厚度为2.11mm。测量样品中的ito电极11的厚度为0.5μm。llz烧结体10和ito电极11中的每一个均具有1.98mm×1.14mm的平面尺寸。llz烧结体10通过光学抛光而在测量表面上具有小于100nm的算术平均粗糙度ra。在测量样品中，电压施加端子(未示出)连接至ito电极11中的每一个使得可以施加电压。

接下来，将描述llz烧结体10的折射率的计算。

在25℃的温度环境下，通过椭圆偏振光谱法对测量样品进行测量。具体地，在椭圆偏振光谱法中，如图3所示，向ito电极11照射入射光并测量经由ito电极11和llz烧结体10的入射光与反射光之间的偏转变化。

更具体地，光在约0.1mm的微小范围内会聚并且以相对于ito电极11的表面的法线方向成20度的入射/发射角向ito电极11的表面照射光。然后，向ito电极11施加的电压在0v、2v、4v和6v之间变化并且在每个电压下测量偏转相位差δ和反射振幅比角ψ，如图4和图5所示。另外，单独制备在玻璃基底上形成ito膜的另一样品并且类似地通过椭圆偏振光谱法进行测量以单独地获得ito膜的数据。为了减去ito电极11的影响，需要ito膜单独的数据用于后述的llz烧结体10的折射率的计算。

接下来，使用ito/llz/ito的三层模型对通过上述测量的δ和ψ的数据进行拟合，并且计算llz烧结体10的折射率如图6所示。

具体地，通过利用适于表达传导材料的drudelorentz模型拟合来计算三层模型拟合所需的ito的介电常数。由于llz是不具有传导性的材料，因此通过使用适用作介电物质的tauclorentz模型进行拟合来计算llz的介电常数。通过使用计算出的ito和llz的介电常数以及膜厚度数据用于在上述三层模型中进行拟合来计算llz烧结体10的折射率。

接下来，将参照图6和图7描述所计算的llz烧结体10的折射率。

如图6所示，在没有施加电压的状态下，即在0v的状态下，llz烧结体10的折射率例如在500nm下为1.90、在633nm下为1.70并且在1000nm下为1.55。

在施加2v电压的状态下，llz烧结体10的折射率在500nm下为1.94、在633nm下为1.71并且在1000nm下为1.59。与0v的情况相比，当整体施加2v电压时，llz烧结体10的折射率大。

在施加4v电压的状态下，llz烧结体10的折射率在500nm下为1.95、在633nm下为1.77并且在1000nm下为1.62。与2v的情况相比，当整体施加4v电压时，llz烧结体10的折射率大。

在施加6v电压的状态下，llz烧结体10的折射率在500nm下为1.99、在633nm下为1.78并且在1000nm下为1.65。与4v的情况相比，在介于600nm和1000nm的范围内施加6v电压时，llz烧结体10的折射率大。此外，在500nm至600nm的范围内，当施加6v电压时，llz烧结体10的折射率大于2v的情况且小于4v的情况。

如图7所示，llz烧结体10的折射率例如在633nm和1000nm下倾向于与所施加电压成比例地增加。llz烧结体10的折射率相对于所施加电压的增加程度在633nm与1000nm之间几乎相同。当通过3v/mm的电场强度转换时，相对于施加到具有2.11mm厚度的llz烧结体10的电压的折射率变化在633nm处为0.082且在1000nm处为0.098。

在60℃的温度环境和500v/mm的电场强度下，传统的电光材料ktn在633nm的波长下的折射率变化为0.015。

即，上述结果表明，在3v/mm的电场强度下，即，即使在低电压下，由eo效应引起的llz烧结体10的折射率变化大于常规电光材料的折射率变化。另外，在25℃的温度环境下，由于eo效应引起的llz烧结体10的折射率变化大于ktn，使得不需要用于提高折射率变化量的温度控制。即，本实施例的光学偏转器可以在不进行温度控制的温度条件下使用，不限于25℃的温度条件，尽管在25℃的温度条件下说明了上述示例。

发明人已对eo光学偏转器的低压驱动进行了深入研究。结果，发明人发现诸如llz的透明离子导体在低电场强度下具有大折射率变化并且不需要温度控制。llz的折射率变化量大于由于克尔效应或普克尔斯效应引起的折射率变化量并且不能仅由这些现象来解释。尽管尚未阐明其机理，但是本发明人推测，由于离子传导性，llz中的折射率变化大于常规电光材料中的折射率变化。

具体地，如图8所示，在根据比较例的诸如ktn的常规电光材料中，当施加电场时，晶体中发生电子转移并且折射率相应地改变。相反，如图9所示，当施加电场时，在诸如llz的透明离子导体的情况下，离子在晶体中移动并且折射率相应地改变。

更具体地，llz是具有足够空间的立方石榴石型晶体结构的光学晶体，并且当施加电场时，li离子能够在晶体中移动。据推测，当施加电场时，li离子迁移，并且llz的晶体结构在晶体内部分变化。晶体结构的这种变化是导致折射率变化大于诸如ktn、bt、ln或plzt的常规电光材料的折射率变化的因素。

换句话说，在透明离子导体中，大于电子和空穴的离子在晶体中移动，从而导致晶体结构的部分改变。因此，与常规的电光材料相比，在低电场强度下，折射率发生变化并且变化量大。

根据本实施例，由于透光部分1由透明离子导体制成，所以可以以比使用常规电光材料的情况低的电压驱动光学偏转器。此外，光学偏转器不需要温度控制。此外，由于透明离子导体的折射率变化量大于常规电光材料的折射率变化量，因此光学偏转器的偏转角大于常规eo光学偏转器的偏转角。

(其他实施例)

尽管已经参考实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于这些实施例和结构。本公开包括各种修改和在等同范围内的修改。另外，各种组合和模式，以及进一步地，包括这些中的一个要素的组合和模式，或者其上位或者其下位，也包括在本公开的范围或构思范围内。

在本实施例中，将llz烧结体用作透明离子导体。然而，具有离子能够在晶体中移动的晶体学空间的光学晶体有望获得与llz相似的结果。因此，透明离子导体不限于llz，并且可以包括例如li5la3nb2-xtaxo12(0≤x≤2)或li(5+2x)la3ta(2-x)yxo12(0.05≤x≤0.75)作为主要成分。注意，li5la3nb2-xtaxo12或li(5+2x)la3ta(2-x)yxo12可以通过与llz烧结体的上述制造方法相同的方法来制造。

在本实施例中，入射光l1进入透光部分1的未形成电极2和3的侧表面1c，但不限于此。例如，入射光l1可以进入从电极2、3暴露的第一表面1a或第二表面1b的一部分。当电极2和3中的一个或两个由诸如ito的透明电极制成时，入射光l1可以进入透明电极。

当光学偏转器被构造为可变焦距透镜时，入射光l1可以被照射到透光部分1从电极2和3暴露的第一表面1a或第二表面1b上，而两对电极2和3平行地形成。例如，入射光l1进入第一表面1a从两个电极2暴露的一部分并且在第一对电极2、3与第二对电极2、3之间通过透光部分1的一部分。即，光透射通过透光部分1的位于电极之间的区域之外的部分。光从透光部分1的第二表面1b发射到外部。此时，当将电场施加到两对电极2和3中的每对时，在透光部分1的位于电极之间的区域之外的部分中也产生电场，并且电极之间的区域之外的区域的折射率改变。通过该动作，施加到第一表面1a的从两个电极2暴露的部分的入射光l1被从第二表面1b收集并发射。光学偏转器可用于这种应用。

在该实施例中，光学偏转器包括透光部分1以及电极2和3，然而，当透光部分1由透明离子导体形成时，光学偏转器不限于此。例如，如图10所示，光学偏转器还具有高反射膜4和5，该高反射膜4和5在未形成电极2和3处分别设置在透光部分1的彼此相反的侧表面1c。入射光l1入射到透光部分1的从高反射膜4暴露的一部分并从透光部分1的从高反射膜5暴露的一部分射出到外部。此外，光学偏转器可包括两对电极2和3，以进一步增加偏转角。因此，具有由透明离子导体制成的透光部分1的光学偏转器不限于该实施例，并且可以采用任意的eo光学偏转器作为具有由透明离子导体制成的透光部分1的光学偏转器。