专利名称：利用共振腔改进光学开关与调制器性能的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学开关与调制器装置。
光学开关与调制器是一种用途广泛的光学装置，用于控制光束的通断或输出的光束信号的强弱，在现代科学技术中有着重要的作用，例如在光通讯、光信息处理、光信息储存与读出、光计算、光学传感等技术中用做光信号的控制元件等(参见文献M.Bass，Handbook of Optics，McGraw-Hill，New York，1995，vol.2，p. 13.3)。
现有的光学开关与调制装置已有多种，例如分别基于电光效应、磁光效应、声光效应、光光效应等原理的电光、磁光、声光、光光开关和调制器等(参见文献M.Bass，Handbook of Optics，McGraw-Hill，New York，1995，vol.2，Chap.12，13，14，19)。这些装置具有不同的性能和适用范围，且已基本满足目前技术使用的需要。
但随着科技的发展，这些装置所具有的一些不足之处也日益显现出来，其中一个突出的共同点是它们所需的驱动电场、磁场、声场或光场的强度一般较高。以电光开关和调制器为例，对于目前使用最广泛的几种电光工作介质(例如KDP、KD*P、LiNbO3等晶体)，其全深度调制(输出光强等于输入光强)，也即作开关时所需的半波电压是从几千伏到一万多伏，当进行高频率调制或开关时，为其配套的高频高压电源很难制作，且这种高频高压电场还会使晶体产生高频感应加热，因而引起晶体热畸变使装置不能稳定工作。
为减小光学开关与调制器所需的驱动电场、磁场、声场或光场强度，目前已采用若干方法(仍参见文献M.Bass，Handbook ofOptics，McGraw-Hill，New York，1995，Chap.12，13，14，19)。仍以电光开关和调制器为例，由于电光晶体的使用方式有纵向运用和横向运用两种，便有两种主要方法对于纵向运用，降低电光晶体所需驱动电压是采用多块晶体光学串连、电学并连的方法(参见文献李景镇主编，光学手册，陕西科学技术出版社，1986年，1087页)，例如若将四块晶体串连，则驱动电压降为单块晶体的四分之一，但这样的电压降低幅度在实际中仍觉不够，若进一步增加晶体块数，则装置结构过于复杂；对于横向运用，降低电光晶体所需驱动电压是采用增加晶体长度、减小晶体宽度的方法(参见文献李景镇主编，光学手册，陕西科学技术出版社，1986年，1080页)，此种方法可使半波电压大幅度降低，但因此晶体的通光孔径大大减小，并使光束的衍射增加，使输出光束的方向性变坏，这对于某些应用，例如航空器对航空器、航空器对水面船只、航空器对水下潜艇之间的激光通信等，由于光束发散，从而接收的光信号变弱，也使激光通信优点之一的通信保密性变差。
光学开关与调制器的一项主要功能是使一连续光束变成一光脉冲序列。对于上述已有的各种光学开关与调制器，在这一变换过程中，其输出的光脉冲的峰值强度最大只能等于输入的连续光束的峰值强度，由于光学开关与调制器本身具有吸收及反射损耗，故一般其输出的光脉冲的峰值强度总是小于输入的连续光束的峰值强度。
因此，若能有一种方法可使光学开关与调制器所需的驱动电场、磁场、声场或光场强度大幅度降低，又不会使装置的结构过分复杂，同时还能使输出光束的方向性仍保持良好；并且该方法还能使一连续光束变成一光脉冲序列后，光脉冲的峰值强度可大幅度提高，甚至远大于输入光束的强度，则这种新方法以及基于该方法的新型光学开关与调制器将会在前述广泛的技术领域发挥重要的作用。
本发明的目的是提供这种新方法以及实施该方法的光学开关与调制器装置。
本发明的目的是这样实现的利用一种腔镜反射率匹配的光学共振腔的储能作用，使光束强度在腔内叠加增强，从而使入射置于腔内的开关与调制工作介质的光强大幅度增强，从而使这些工作介质所需的偏转输出原幅度光强的驱动电场、驱动磁场、驱动声场或驱动光场的强度降低(详见后实施例及说明)。
同理，利用这种光学腔的储能作用，使光束强度在腔内叠加增强，而后由一置于腔内的开关与调制装置输出，从而使输出的光脉冲的峰值强度增强(详见后实施例及说明)。
另外，利用这种腔的储能作用，还可使未被置于腔内的开关或调制装置输出的光束能量在腔内循环而暂时储存，并再次入射这些开关或调制装置而被再利用(详见后实施例及说明)。
实施上述方法的装置的特征在于在所说的这种腔镜反射率匹配的光学共振腔的腔内光路上，放置电致、或磁致、或声致、或光致等开关或调制工作介质或和合适的分光偏转器件(详见后实施例及说明)。
所说的腔镜反射率匹配的光学共振腔是由两面高反射界面所组成，当光腔等效腔长满足或近似满足入射光频率的共振条件，而作为输入腔镜的高反射面的反射率满足或近似满足光腔的损耗匹配条件时，腔外光束可有效入射并储存在腔内，使腔内光束强度持续增强而达到一远大于入射值的平衡稳态值(参见文献A.Ashkin etal，Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mix-ing，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-2，6，109-124(1966))。
本发明所提供的利用光学共振腔降低光学开关与调制器所需的驱动电场、驱动磁场、驱动声场或驱动光场的强度，以及提高它们的输出光脉冲的峰值强度的方法与装置，与已有技术相比，分别具有如下的优点一.在降低装置所需的驱动电场、驱动磁场、驱动声场或光场的强度方面，与已有技术相比的优点首先，在降低装置所需的驱动电场强度方面，与前述电光晶体纵向运用时采用的多块晶体光学串连、电学并连的方法相比，是电压降低幅度大大增加(可降为原所需值的几十分之一，甚至几百分之一)，且因为装置仅附加一个由两面反射面所组成的光学腔，因此装置结构的复杂性不会过分增加；与前述电光晶体横向运用时采用的增加晶体长度、减小晶体宽度的方法相比，是不会使装置的通光孔径减小，且因此出射光束仍具有良好的方向性。
在降低装置所需的驱动磁场、驱动声场或驱动光场的强度方面，我们尚未见其它有关技术的报道。
二.在提高输出的光脉冲的峰值强度方面，我们也尚未见其它有关技术的报道，应属一全新方法。
本发明的附面说明
图1是一种腔镜反射率匹配的光学共振腔的结构示意图。
图2是附加有共振腔的电光开关或调制器降低所需驱动电压，或是附加有共振腔的电光开关或调制器提高输出的光脉冲峰值强度，或是附加有共振腔的电光开关或调制器提高对入射光能的利用率的实施例的装置结构示意图。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明为解释本发明要利用的腔镜反射率匹配的光学共振腔所具有的特性，先结合图1对该类光学腔的工作原理给以说明。
图1是一种腔镜反射率匹配的光学共振腔的结构示意图。两个高反射率界面分别镀在输入端口镜(图中1)和另一反射镜(图中2)上，它们组成一个驻波式光学共振腔。当一单色平行光束(图中3)从腔外正入射到反射镜1时，其透射光振幅为Eit1，其反射光振幅为Eir1，其中Ei、t1、r1分别是入射光振幅、反射镜1的振幅透射率和振幅反射率。透射光入射腔内后，经反射镜2的反射，又会从背面正入射反射镜1，其透出光振幅为Eit1r2t’1exp(iΦ)，而其反射光振幅为Eit1r2r’1exp(iΦ)，其中r2是反射镜2的振幅反射率， 而t’1、r’1分别是光束从背面入射反射镜1时的振幅透射率和反射率，显然当反射镜1本身的吸收损耗可以忽略时，有t’1＝t1，r’1＝-r1，而Φ是光束在腔内循环一周后的位相移动。由于腔内光束将在腔内多次地循环，腔内光束(图中4)的总合成振幅是Ec＝Eit1＋Eit1rcexp(iΦ)+E1t1rc2exp(i2φ)]]>+Eitirc3exp(i3φ)]]>＋…+Eit1rcNexp(iNφ)]]>＋…(1)式中rc＝r2r’1，可以称其为光腔的单循环反射率。而透出腔外的光束(图中5)的总合成振幅是Er＝Eir1＋Eit1rcr’1-1t’1exp(iΦ)+Eit1rc2r'1-1t'1exp(i2φ)]]>+Eit1rc2r'1-1t'1exp(i3φ)]]>＋…+Eit1rcNr'1-1t'1exp(iNφ)]]>＋…(2)依据数学上无穷级数的求和公式，可以推出腔内光束的总合成强度Ic和透出腔外的光束的总合成强度Ir与入射光束Ii的比值分别是Ic/Ii=(EcEc*)/(EiEi*)]]>=(t12)/[(1-rc)2+4rcsin2(φ/2)]----(3)]]>Ir/Ii=(ErEr*)/(EiEi*)]]>＝[(r’1－r2)2＋4rcsin2(Φ/2)]/[(1－rc)2＋4rcsin2(Φ/2)](4)当光腔腔长满足对于入射光波频率的共振条件，有sin2(Φ/2)＝0，公式(3)和(4)变为Ic/Ii=(t12)/(1-rc)2----(5)]]>Ir/Ii＝[(r’1－r2)2]/(1－rc)2(6)显然，若使输入端口镜反射面的反射率满足特定的损耗匹配条件，即若有r’1＝r2(7)时，则透出腔外的光束的合成强度Ir等于零。由于1-r’12是反射镜1的透射损耗，而1-r22是环型光腔的其它光能损耗之和，故由(7)式所决定的损耗匹配条件就是要求作为输入端口镜的反射镜1的反射率需依据光腔的光能损耗率而定。
在上述共振并匹配条件下，由于多光束干涉的作用，腔外光束可全部有效地入射腔内，而腔内光束只能腔内反复循环运行。若入射光束是连续波，则由于外界能量的持续输入，腔内光束强度便不断增强，直至外界光能量的输入速率与光腔自身的能量损耗速率相等时而达到一平衡稳态最高值。当光腔的两反射镜本身对光束的损耗很小，则有r12+t12=1----(8)]]>r'12+t'12=1----(9)]]>利用式(8)，(9)和上述关系式t’1＝t1，r’1＝-r1，再将损耗匹配条件式(7)代入式(5)，可得到腔内光束可达到的最大强度为Icm=Ii/(1-r22)----(10)]]>采用在反射镜的表面镀多层增反射膜的方法，反射镜的光强反射率对于单色平行光可以达到99.99％以上(参见文献P.Baumeis-ter，Optics & Photonics News，6，6，22-25(1995))。代入r22＝0.999进式(10)，我们得到Icm＝1000Ii；而代入r22＝0.9999进式(10)，我们得到Icm＝10,000Ii。因此，利用这种腔镜反射率匹配的光学共振腔，腔内光束强度可以增强到远大于原输入值。
图2是附加有共振腔的电光开关或调制器降低所需驱动电压的实施例的装置结构示意图。图中6是放置于腔内的电致偏振面旋转介质-电光晶体，图中7是一格兰—汤姆逊型偏振分光棱镜(参见文献杨臣华，梅遂生，林钧挺主编，激光与红外技术手册，国防工业出版社，1990年，209页-214页)，它们组成置于腔内的电致光束偏转输出装置。设有一单色平行连续光束(图中8)入射到输入端口镜(图中9)，并设该光束是偏振光，其偏振方向垂直于纸面。该光束的透射光分量会入射电光晶体，若此时电关晶体未加电压，则光束通过它后偏振面不旋转，出射后作为寻常光进入偏振棱镜并沿直线传播，再由反射镜10反射而再入射输入端口镜。完全仿照上(10)式的推导，可得到此种腔内的储存光束在满足频率共振和损耗匹配条件时可达到的最大强度为Icm=Ii/1(1-TC2TP2r22)----(11)]]>式中Ii、Tc、Tp、r2分别是入射光束强度，电光晶体、偏振分光棱镜的振幅透射率，以及反射镜10的振幅反射率。代入Tc2＝Tp2＝r22＝0.9999进入式(11)， 得到Icm＝3333Ii。
如果随后将工作电压加到电光晶体，则通过电光晶体的光束的偏振面会被旋转，当工作电压介于零到半波电压之间时，通过电光晶体的光束会被分解成两部分，其中变成非寻常光的部分进入偏振棱镜后，会在棱镜内的斜界面上发生全反射而输出腔外。
而其中仍是寻常光的部分进入偏振棱镜后仍直线传播，经反射镜10的反射返回，再直线通过偏振棱镜，并在反向通过电光晶体时又被分解成两部分。由于反射镜9的反射率很高，又被分解的该两部分光束的绝大部分都将又入射电光晶体，并将重复上述的过程，即其中的非寻常光部分经棱镜输出腔外，而寻常光部分在腔内循环。设输出腔外的光束强度为Io，对于纵向使用的电光晶体，则近似有如下关系(参见文献A.亚里夫著，刘颂豪等译，量子电子学，上海科学技术出版社，1983年，350页-351页)Io＝Ic[sin(πV/2Vπ)]2(12)式中Ic是入射电光晶体的光束强度，Vπ是电光晶体所需的半波电压，V是加至电光晶体的驱动电压。如果我们需要由腔中输出的光束(图中11)的峰值强度等于由腔外输入的光束(图中8)的峰值强度(此时为100％的全深度调制)，则有Ii＝Io＝Ic[sin(πV/2Vπ)]2(13)代入Ic＝Icm＝3333Ii，有
V＝(2Vπ/π)arcsin[(1/3333)0.5](14)于是得到V＝0.011Vπ。
可见，由于共振腔内光强的增强，装置中电光晶体所需的输出原幅度光强的驱动电压可大为减小。当驱动电压只取零和另一大于零的特定值时，输出腔外的光束强度也只有零和某一特定值，这时该装置相当于一电光开关；而当驱动电压取零到另一大于零的特定值之间的连续值时，输出腔外的光束强度也在零到某一特定值之间连续变化，这时该装置相当于一电光调制器。于是，使用腔镜反射率匹配的光学共振腔，可极大降低电光调制器或电光开关中电光晶体的驱动电压，且装置的通光孔径仍与不用共振腔时几乎相同。
对于横向使用的电光晶体，也有类似的结论，因证明过程类同，此处不赘述。
图2也是附加有共振腔的电光开关或调制器提高输出的光脉冲峰值强度的实施例的装置结构示意图。前已述，当电关晶体不加电压时，外界入射的光束可在腔内储存，在光腔满足频率共振和损耗匹配条件时，腔内光束强度可达到由(11)式决定的最大强度。当腔内光束达到最大强度后，若迅速将一大于由(14)式所决定的工作电压加至电光晶体，则此后将会有峰值强度大于入射光束强度Ii的光束出射；如果在腔内光束达到最大强度后，迅速将电压值为晶体所需半波电压的驱动电压加至电光晶体，则此后通过电光晶体的光束的偏振面会全被旋转90度，然后全变成非寻常光而由偏振棱镜输出，由于腔内光束在一个循环周期内便可全部输完，则出射的光脉冲的长度与腔长相等，由于腔长一般为几十厘米，从而输出的脉冲宽度为亚纳秒到纳秒量级，而其强度是入射值的数千倍。对于图2的实施例，若入射光束的光功率是1万瓦(例如是来自高功率连续波二氧化碳激光器的高功率连续光束)，而腔长为二十厘米，则输出的光脉冲宽度为亚纳秒量级，而脉冲峰值功率是33兆瓦。显然，这样的装置已成为一种新型的强光短脉冲的发生器。
图2也是附加有共振腔的电光开关或调制器提高对入射光能利用率的实施例的装置结构示意图。显然，当电光晶体不加电压从而等效于光开关关闭时，或装置做为调制器使用且所加电压低于半波电压时，全部的光束能量或部分的光束能量将在腔内循环，从而得以暂时储存，并会再次入射电光晶体而被再利用，故该装置可提高对入射光能的利用率。其对入射光能利用率的具体提高值依光调制器的调制占空比或光开关的开关占空比而定，调制占空比或开关占空比值R(R＝开关打开时间/开关关闭时间)越小，则提高值越大。
本发明所提供的附加有共振腔的光学开关或调制器装置的结构可在本发明的总构思前提下，根据已有公知的技术加以改变，例如腔内分光装置不用偏振棱镜而改用其它分光输出器件，组成腔镜的反射面由平面改为曲面等。
本发明所提供的附加有共振腔的光学开关或调制器装置也可用于红外或紫外或甚至波长更短的频率波段。
权利要求
1.一种降低光学开关与调制器所需的驱动电场、驱动磁场、驱动声场或驱动光场的强度的方法，其特征在于利用一种腔镜反射率匹配的光学共振腔的储能作用，使光束强度在腔内叠加增强，从而使入射置于腔内的开关与调制工作介质的光强大幅度增强，从而使这些工作介质所需的偏转输出原幅度光强的驱动电场、驱动磁场、驱动声场或驱动光场的强度降低。
2.一种提高光学开关与调制器输出的光脉冲的峰值强度的方法，其特征在于利用一种腔镜反射率匹配的光学共振腔的储能作用，使光束强度在腔内叠加增强，而后由一置于腔内的开关与调制装置输出，从而使输出的光脉冲的峰值强度增强。
3.一种提高光学开关与调制器对入射光能的利用率的方法，其特征在于利用一种腔镜反射率匹配的光学共振腔的储能作用，使未被置于腔内的开关或调制装置输出的光束能量在腔内循环而暂时储存，并再次入射这些开关或调制装置而被再利用。
4.一种实施根据权利要求1、或2、或3所述的方法的装置，其特征在于在所说的腔镜反射率匹配的光学共振腔的腔内光路上，放置电致、或磁致、或声致、或光致等开关或调制工作介质或和合适的分光偏转器件。
全文摘要
本发明提供一种可大幅度降低光学开关与调制器所需的驱动电场、磁场、声场或光场强度，或者大幅度提高光学开关与调制器输出的光脉冲峰值强度的新方法及装置，其特征是制做一类附加有腔镜反射率匹配的光学共振腔的光学开关与调制器。该种光学开关与调制器仍有大的通光孔径，且保持输出光束的方向性良好，装置的结构也仍较简单，是一种具有广泛用途的新型基础性光学器件。
文档编号G02F1/00GK1157933SQ9610183
公开日1997年8月27日 申请日期1996年1月29日 优先权日1996年1月29日
发明者柳尚青 申请人:柳尚青