专利名称：全光固体条纹相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超快诊断技术设备，具体涉及全光固体条纹相机。
背景技术：
超快现象(持续时间小于S)广泛地出现在自然界或相关科学技术研究中。例如，植物的光合作用过程、光材料中的光激发态驰豫过程、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、强光与物质相互作用物理过程等时间尺度多在皮秒至飞秒量级，甚至于阿秒量级范围内[1]。因此超快现象研究对材料、生物、光物理、光化学等自然科学研究的发展，以及激光技术、强光物理、高能物理等技术领域的进步都具有巨大的推动作用和重要的现实意义。可以想象，人类在瞬态超快领域认识层面上的不断深入必须同时也正是建立在技术科学能够提供相应的实验手段和技术设备的基础上的。因此可以说，技术科学领域超快诊断相关技术设备和实验手段的更新进步直接导致了人类对微观世界认识的深入。基于以应用为导向的工程技术发展理念，瞬态超快现象研究的层次深度及侧重点直接决定着超快诊断技术手段发展的方向。因此，描述超快现象的参数如发生持续时间与信号强度强弱范围等将意味着超快诊断技术手段必须具备相对应的性能诊断参数，如时间分辨率、可测量动态范围以及可测量时间跨度等。在超快现象研究的发展历程中，针对不同侧重点的探测研究要求曾出现了多种类型的超快诊断技术手段和方法如基于变像管扫描成像的条纹相机技术[2_3]、光示波器技术[4]、频率分辨光学选通(Frequency-Resolved Optical Gating, FROG) 以及光谱相位干涉直接电场重建(Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction, SPIDER)[6]等，这些方法都可以达到飞秒量级的时间分辨率，但是这些技术却很难同时具备大的可测量动态范围，可测量时间跨度和高的空间分辨率，因此应用受到很大限制；条纹相机技术同时具备动态范围大、时间跨度大、空间分辨率高的特点，在重大尖端前沿科学中得到广泛应用。参考文献[1] Scrinzi A，Ivanov MY, Kienberger R，et al. Attosecond physics. J. Phys. B :At. Mol. Opt. Phys.，2006，39 :R1_R37[2]Guidi V，Novokhatsky AV. A proposal for a radio-frequency-based streak camera with time resolution less than 100 fs. Meas. Sci. Technol. ,1995,6(11) 1555-1556[3]Losovoi V， Ushkov I， Prokhorenko E， et al.200 femtosecond streak camera(development and dynamic measurements). Proc of SPIE. 2002,4948 :297-301.[4]Foster M A,Reza SiGeraghty D F,et al. Silicon-chip-based single-shot ultrafast optical oscilloscope. Nature, 2008,456 :81-84.[5]Kane D JiTrebino R. Characterization of Arbitrary Femtosecond Pul ses Using Frequency-Resolved Optical Gating. IEEE J. Quantum Electron，1993，29 (2) 571-579
[6]Iaconis C, Walmsley I A. Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses. Opt. Lett. , 1998, 23(10) :792-79
发明内容
本发明提供了一种全光固体条纹相机，以解决现有技术难以同时具备大的可测量动态范围和可测量时间跨度以及真空器件可靠性、稳定性差的技术问题。本发明的技术方案如下全光固体条纹相机，包括光耦合系统、光偏转器、泵浦光系统和读出系统，其中光偏转器包括光波导，设泵浦光沿竖直方向入射至光波导，则信号光沿水平方向通过光波导后由读出系统采集读取；光波导的功能层采用AWaAs/GaAs/AWaAs的夹层结构，中间的芯层为信号光通道，包层的泵浦光入射端面上设置有用以使泵浦光在芯层中形成光棱镜阵列的锯齿状泵浦光掩膜。上述形成的光棱镜阵列的棱镜顶角设置5° 15°较佳，棱镜数目为50 500 个。上述包层中Al原子百分含量为25% 80%，常态时包层和芯层的载流子浓度均为IO15级；所述泵浦光系统为短脉冲泵浦光系统，泵浦光的波长为532 850nm，泵浦功率 IOmW IW可调，调制频率1GHz，调制信号为锯齿波信号。(从而使得GaAs载流子浓度在 IO16 IOw变化，改变折射率差)沿泵浦光入射方向，上述光波导的三个功能层的厚度依次为1_3μπι、0.6μπι、 2-3 μ m较佳。上述读出系统采用与信号光的光谱范围匹配的高速线阵探测器。上述光耦合系统包括设置于光波导信号光入射端的耦合透镜和设置于光波导信号光出射端的聚焦透镜；聚焦透镜采用柱镜为佳。本发明基于当前研究和应用需求，通过采用光束偏转系统以替代电子束偏转系统的机制创新，研制出同时具有皮秒量级时间分辨率、IO3-IO5量级的可测量动态范围，以及几百个皮秒量级可测量时间跨度的全光固体条纹相机。该光束偏转系统实质是半导体光波导芯层中由载流子诱导折射率变化效应而形成的光棱镜阵列，这是对现有基于光电转换的变像管条纹相机技术的突破。同时，本发明也将为全光条纹相机技术的成熟和推广提供重要的科学依据和理论基础。光波导芯层材料对红外透明，所以可对900nm 25um的红外光，甚至THz的超快信号，都能实现偏转和分析处理。这样可以开创新的将超快分析的能力从目前的可见光扩展到近红外和中远红外甚至THz波段。将获得对超快现象的观测波段大大展宽。极大丰富人类对自然的认识水平，预计将因此产生众多的原创性科研成果。
图1为本发明的工作原理图。图2为本发明的一维光波导的结构示意图。图3为载流子诱导折射率变化效应形成光棱镜阵列的示意图。
图4为入射光在光波导中产生光偏转的原理图；其中(a)表征了载流子浓度对折射率的影响，(b)体现了折射率差产生光偏转。图5为本发明的光波导的光子约束和载流子约束的示意图；其中(a)体现了光子约束，(b)体现了载流子约束。图6为本发明的光波导结构参数的基本设计。图7为本发明的系统结构框图。
具体实施例方式本发明在传统的基于光电转换的变像管条纹相机的基础上，通过采用光束偏转系统以替代电子束偏转系统的机制创新，开展全光固体条纹相机的理论及工程设计研究，以期研制出同时具有皮秒量级时间分辨率、IO3-IO5量级的可测量动态范围，以及几百个皮秒量级可测量时间跨度的全光固体条纹相机，以满足相关研究对高综合性能超快诊断技术设备的需要。相比变像管条纹相机，本发明的全光条纹相机摈弃了光电变换从而最终消除变像管条纹相机时间分辨率和动态范围性能提高方面的瓶颈因素——成像光电子之间固有的库仑力作用，以达到在适当降低相机系统时间分辨率的条件下显著提高其可测量动态范围。光束偏转系统(光偏转器)是大动态范围全光条纹相机的核心，如图1所示，此光束偏转系统实质是半导体光波导芯层中由载流子诱导折射率变化效应而形成的光棱镜阵列。a.半导体光波导该光波导为一维光波导，如图2所示，光波导芯层和基底材料为GaAs，光波导包层为AlxGai_xAs，其中χ代表Al原子的原子百分数。如Al的组分变化对AlxGai_xAs的折射率有重要影响，通过调节Al的组分调节AlxGai_xAs的折射率，形成AlxGai_xAS/GaAS/Alx(}ai_xAS 光波导。光波导的结构参数，如横向尺寸d、导光尺寸1以及每个光波导功能层的厚度，可根据全光条纹相机系统的性能研制要求作出相应的优化设计。b.光棱镜阵列的形成掩膜材料通常选择金属(包括金，银，铬，铜等)，厚度一般大于500nm。用以使信号光光束发生可调折射的半导体光波导光棱镜阵列，如图3所示。用于光束偏转的光棱镜阵列的形成是基于半导体中载流子诱导折射率变化效应，因而锯齿状泵浦光掩膜的形状及透光属性将直接决定最终在光波导芯层中形成的棱镜阵列，经过理论分析，能够确定光棱镜的折射率与泵浦光之间的关系。根据折射率的变化系数，优化设计棱镜的顶角角度，和棱镜阵列的数目，这些参数决定了器件的偏折角。综合考虑，光棱镜阵列的棱镜顶角设置5° 15°较佳，棱镜数目为50 500个。自由载流子浓度对半导体材料折射率的影响，一般有带填充效应 Bandfi 11 ing (Burstein-Moss effect)，带收缩效jS band—gap shrinkage,自由子吸收效应free-carrier absorption (plasma effect)三种效应综合景多响。其中以带填充效应和自由载流子吸收效应影响最大。分别用下列公式表示
An =
E2-E2 ‘
^2A2 Αη(Ν,Ρ,Ξ) = ^ρ2 二视
^N P、
8π2ο2βηπ
ηκ m,.
e "lk J以GaAs为例，载流子浓度变化到IOw会产生1 %的折射率变化。由此倾斜的折射率界面可以将入射光偏转。如图4所示。由于折射率差较小，所以为增加偏转角度提高分辨率，须采用多个棱镜的组合以提高光束的偏转角，并保证对透过率的影响较小。可以对GaAs材料的光波导进行器件模拟，通过实验对GaAs的自由载流子吸收等效应引起的折射率变化进行定量分析，并对主要器件的参数进行设计优化。2. 1光扫描器的光谱设计GaAs材料，对红外光透过率很高，7毫米的GaAs晶体0. 9 25微米透过率达到 55%以上，所以可以处理很宽的红外光谱信号，对于红外条纹相机的研制非常有利；并可用 850nm以下的光泵浦，实现对载流子浓度的调制。而且GaAs抗辐射特性优于硅材料，适合于工作在辐射环境条件下。GaAs载流子浓度在IO"5 IOw变化，可以形成_10_2的变化。由于折射率差很小 1 %，所以通过形成多级棱镜组来提高偏转角度。2.2光波导的设计采用AlGaAs/GaAs/AlGaAs波导结构，如图，AlGaAs的折射率小于GaAs，通过调节 Al的组分调节折射率，形成光波导。一般Al组分达到0.25以上，折射率差可以达到5%， 可形成优良的光波导，形成对光子的有效约束。同时MGaAs禁带宽度大于GaAs，通过能带设计可以形成势阱，形成对载流子的有效约束，抑制载流子的扩散，形成陡峭的折射率界面，如图5所示，有利于提高器件的偏折角的分辨率。基于三五族化合物半导体材料的MOCVD生长技术，提高晶体和界面质量，减少杂质吸收。通过AlGaAs材料组分调节，优化折射率参数，形成对光子的有效约束；调节能带结构，实现对光生载流子的有效约束，防止载流子的扩散。提高GaAs，AlGaAs等材料薄膜的单晶质量，提高对泵浦光的量子效率。结构参数设计如图6所示。整个系统包括光偏转器，泵浦光系统，读出系统，控制和信息处理终端。信号光经过光学系统整形进入光偏转器，泵浦光激发光偏转器，产生载流子分布，形成折射率分布， 对信号光进行偏转，偏转光由光学系统耦合进入大动态读出系统进行处理，交给后端处理系统进行信息处理。系统原理图如图7所示。根据条纹相机的应用需要，选用高灵敏度，高速线阵探测器。根据信号光的光谱范围可选择如InGaAsd. 1 1.6 μ m) Si 1. 064 μ m，MCT (3 14 μ m)等探测器。根据分辨率要求选择1观\1，256\1，512\1;线阵。线阵探测器的读出电路具有大动态范围。增益 1500 1。并根据探测器参数设计基于柱镜的光学耦合系统，以确保条纹相机的分辨率。选用光波导材料的吸收光谱内的GaAs吸收峰内532 850nm。泵浦功率IOmW IW可调。调制频率1GHz，调制信号为优化的锯齿波信号，形成泵浦光的线性调制。为保证形成均勻光斑，通过优化设计光学系统对光场进行光学整形。优化调制的线性度等参数。
权利要求
1.全光固体条纹相机，其特征在于包括光耦合系统、光偏转器、泵浦光系统和读出系统，其中光偏转器包括光波导，设泵浦光沿竖直方向入射至光波导，则信号光沿水平方向通过光波导后由读出系统采集读取；光波导的功能层采用AWaAs/GaAs/AWaAs的夹层结构， 中间的芯层为信号光通道，包层的泵浦光入射端面上设置有用以使泵浦光在芯层中形成光棱镜阵列的锯齿状泵浦光掩膜。
2.根据权利要求1所述的全光固体条纹相机，其特征在于形成的光棱镜阵列的棱镜顶角为5° 15°，棱镜数目为50 500个。
3.根据权利要求1所述的全光固体条纹相机，其特征在于包层中Al原子百分含量为 25% 80%，常态时包层和芯层的载流子浓度均为1015cm-3级；所述泵浦光系统为短脉冲泵浦光系统，泵浦光的波长为532 850nm，泵浦功率IOmW IW可调，调制频率1GHz，调制信号为锯齿波信号。
4.根据权利要求1所述的全光固体条纹相机，其特征在于沿泵浦光入射方向，光波导的三个功能层的厚度依次为1-3 μ m、0. 6-1 μ m、2-3 μ m。
5.根据权利要求1所述的全光固体条纹相机，其特征在于所述读出系统采用与信号光的光谱范围匹配的高速线阵探测器。
6.根据权利要求1所述的全光固体条纹相机，其特征在于所述光耦合系统包括设置于光波导信号光入射端的耦合透镜和设置于光波导信号光出射端的聚焦透镜。
7.根据权利要求6所述的全光固体条纹相机，其特征在于所述聚焦透镜采用柱镜。
全文摘要
本发明提供了一种全光固体条纹相机，以解决现有技术难以同时具备大的可测量动态范围和可测量时间跨度的技术问题。该大动态范围皮秒全光固体条纹相机包括光耦合系统、光偏转器、泵浦光系统和读出系统，其中光偏转器包括光波导，设泵浦光沿竖直方向入射至光波导，则信号光沿水平方向通过光波导后由读出系统采集读取；光波导的功能层采用AlGaAs/GaAs/AlGaAs的夹层结构，中间的芯层为信号光通道，包层的泵浦光入射端面上设置有用以使泵浦光在芯层中形成光棱镜阵列的锯齿状泵浦光掩膜。本发明实现了对现有基于光电转换的变像管条纹相机技术的突破；同时，也将为全光条纹相机技术的成熟和推广提供重要的科学依据和理论基础。
文档编号G02F1/295GK102364396SQ20111032575
公开日2012年2月29日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者刘虎林, 尹飞, 张铁, 徐向晏, 曹希斌, 段东平, 汪韬, 温文龙, 王俊锋, 王超, 田进寿 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所