專利名稱：反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)器件，具體涉及一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵及其制備方法，本發(fā)明可應(yīng)用于制作光強(qiáng)調(diào)制器，光互連等科學(xué)研究工作中，亦可應(yīng)用在制作微光學(xué)器件的工作中。
背景技術(shù)：
衍射光柵作為光學(xué)的基礎(chǔ)元件在很多方面都有著廣泛的應(yīng)用，比如用作分光鏡或外腔激光器的選頻器件。目前國際上使用電光陶瓷材料制作的強(qiáng)度可調(diào)諧光柵，一種方案是叉指電極采用透明電極(ΙΤ0電極)制作，參見Song. Q. W所寫的論文，“PLZT Based High-Efficiency Electro-optic Grating for Optical Switching”，這種透射式強(qiáng)度可調(diào)衍射光柵，電極為透明電極，實現(xiàn)了較好的強(qiáng)度調(diào)諧效果。但是這種方案存在的問題包括透明電極制作難度較大，同時透明電極制作的不均勻性會影響光柵各衍射級的光強(qiáng)分布，同樣會損害光柵各衍射級次光強(qiáng)的調(diào)諧效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決透明電極(ΙΤ0電極)制作困難和電極厚度的不均勻性影響光柵衍射效率的問題，提供一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵及其制作方法，該衍射光柵的電極制造工藝簡單、電極厚度不影響衍射效果。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵，其特點在于包括透明電光陶瓷材料基底， 在該透明電光陶瓷材料基底的入射面鍍有入射光的增透膜，在該透明電光陶瓷材料基底的入射面相對的另一面上鍍有兩組相間的叉指電極，該兩組叉指電極的連接點通過各自的電極引線與驅(qū)動電源的正負(fù)兩極相連。所述的透明電光陶瓷材料基底為透明的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛，或鋯鈦酸鉛。所述的透明電光陶瓷材料基底的基底的兩表面為平行平面，或成一定夾角。所述的叉指電極呈彼此平行的線條寬度和線條間隔均勻的梳齒狀。一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的制備方法，該方法包括如下步驟①將一定厚度的電光陶瓷材料的兩面拋光并清潔處理；②根據(jù)設(shè)定的電極寬度及陶瓷材料的尺寸制作叉指電極掩模板；③在所述的電光陶瓷材料的一面涂覆光刻膠，將所述的叉指電極掩模板緊貼在所述的電光陶瓷材料涂有光刻膠的一面上，放在光刻機(jī)中曝光；④在表面濺射一層金屬電極，使用化學(xué)溶劑去除光刻膠，光刻膠上表面附著的金屬薄膜同時被剝離掉，形成所述的叉指電極；⑤清洗所述的電光陶瓷材料；⑥在所述的電光陶瓷材料的背面制作增透膜；
⑦在所述的叉指電極上使用導(dǎo)電膠制作連接點，用銅線將該連接點與所述的驅(qū)動電路的兩極相連接。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的制備方法，其特征在于所述的電光陶瓷材料為鈮鎂酸鉛鈦酸鉛或鋯鈦酸鉛。本發(fā)明的工作原理如下當(dāng)衍射光柵上叉指電極不加電壓時，二次電光陶瓷材料內(nèi)部各點的折射率相同， 光在電光陶瓷材料內(nèi)部走過的光程相同，僅在反射面上反射時，光在二次電光陶瓷材料與金屬交界面反射和二次電光陶瓷材料與空氣交界面反射引起的相位差不同，因此衍射光柵處于初始狀態(tài)，此時對應(yīng)著一個初始的各衍射級能量分布，中央0級衍射能量最強(qiáng)，其他衍射級次能量較弱，具體各級的能量分布取決于叉指電極的占空比。當(dāng)在所述的叉指電極上施加電壓后，在電光陶瓷材料(如鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMNT XSPMN-PT)或者鋯鈦酸鉛(PLZT))內(nèi)部產(chǎn)生電場分布，由于電光效應(yīng)的存在，該電場會導(dǎo)致材料內(nèi)部的折射率發(fā)生變化，該折射率變化Δη與電場強(qiáng)度E的關(guān)系取決于所采應(yīng)的透明電光陶瓷材料是一次電光效應(yīng)還是二次電光效應(yīng)。以二次電光陶瓷材料PLZT為例，在電場E的作用下，PLZT材料不再是各向同性材料，且電光系數(shù)R11興R12，因此其折射率變化在兩個正交的偏振方向上是不同的。兩個偏振方向上的折射率變化由下面兩式表示w 令(RuE2x+Rl2E2y)ny=n0Ru(E2x^E2y)式中，Iitl為未加電場時電光陶瓷材料本身的折射率，R11和R12為電光陶瓷材料電光系數(shù)矩陣中的兩個元素，Ex為電光陶瓷材料內(nèi)部χ方向的電場強(qiáng)度值，Ey為電光陶瓷材料內(nèi)部χ方向的電場強(qiáng)度值。因此不同位置入射的光在材料內(nèi)部走過的光程是不同的，產(chǎn)生光程差，因此在遠(yuǎn)場產(chǎn)生干涉。以非透明叉指電極占空比50%為例，當(dāng)靜電電壓為0時，遠(yuǎn)場衍射圖樣中既有中央0級衍射圖樣存在，也有其他衍射級存在，包括正負(fù)一級。隨著直流電壓的增大，中央0 級能量逐漸到達(dá)極大值，正負(fù)一級逐漸消失；隨著直流電壓的進(jìn)一步增大，中央0級能量逐漸減小，正負(fù)一級能量逐漸增大，當(dāng)中央0級能量到達(dá)極小值時，中央正負(fù)一級能量到達(dá)極大值；繼續(xù)增大叉指電極所加電壓，中央0級能量逐漸增強(qiáng)，正負(fù)一級能量開始減小。因此隨著電壓的變化，能量在各衍射級上的分配產(chǎn)生變化，實現(xiàn)了調(diào)諧效果。本發(fā)明透明電光陶瓷材料厚度< 1mm。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、采用光刻法制作金屬電極操作簡單、工藝成熟，制作得到的金屬電極的厚度不均勻性不影響衍射調(diào)諧效果。而現(xiàn)有技術(shù)采用透明電極(ΙΤ0金屬電極)透射式衍射光柵方案中，所鍍的金屬電極厚度不均勻會導(dǎo)致光在各個透明金屬電極里所走的光程不同，光程差不再具有周期性，影響衍射效果。2、本發(fā)明的非透明金屬電極相對于透明金屬電極(ΙΤ0金屬電極)成本低，采用普通真空蒸鍍即可實現(xiàn)。3、光刻法制作的電極寬度較靈活，電極寬度和電極間空隙的寬度可以小到微米級，如果采用更為先進(jìn)的光刻技術(shù)，可以到亞微米級；因此可以制作微型光學(xué)器件，在光通信產(chǎn)業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵基本工作原理示意圖。圖2是本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是評估本發(fā)明衍射效率的偏振相關(guān)性之光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請先參見圖1，圖1是本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的基本原理示意圖。 圖中包括，透明電光陶瓷材料基底1和非透明金屬叉指電極2。入射光為平面光波，平面光波經(jīng)鍍有增透膜的下表面入射到透明電光陶瓷材料內(nèi)部，并在鍍有非透明金屬電極的上表面反射，并再次透過下表面出射。由于對叉指電極施加的電壓，在透明電光陶瓷材料基底的內(nèi)部存在折射率分布，不同位置的入射光在材料內(nèi)部的光程不同，因此出射光不再是平面光波，而是存在相位差。由于電場分布的周期性決定了電光陶瓷材料內(nèi)部折射率分布的周期性，因此出射光的相位也存在周期性分布。因此本發(fā)明可以構(gòu)成一個相位型衍射光柵。圖2是本發(fā)明的反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的基本結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見， 本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵100，其構(gòu)成包括透明電光陶瓷材料基底20，在該透明電光陶瓷材料的上表面具有產(chǎn)生內(nèi)部折射率分布的非透明金屬叉指電極22，用導(dǎo)電膠制作連接端點對，通過銅線沈?qū)⑺龅倪B接端點M與直流驅(qū)動電源觀的正負(fù)極相連。直流驅(qū)動電源觀為可調(diào)諧的高壓驅(qū)動電源，可市場購買。反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的調(diào)諧電壓取決于透明電光陶瓷材料的電光系數(shù)與材料厚度，叉指電極22的寬度與占空比，入射光的入射角度、偏振和所需的各衍射級能量分布。因此不同情況下所需的調(diào)諧電壓不同，這要求直流電源的驅(qū)動電壓可以調(diào)諧。以叉指電極寬度lOOum，占空比 50%，透明電光陶瓷材料為鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMNT)，材料厚度710um為例，入射光為波長為 632. Snm的紅光，入射角度約為8°偏振方向垂直于金屬電極刻線，在此種情況下，中央O級能量完全消失所需調(diào)諧電壓為41V。若采用其他電光系數(shù)較小的透明電光陶瓷材料，則中央 O級能量完全消失所需調(diào)諧電壓可達(dá)數(shù)百伏特。圖3為本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)特點為透明電光陶瓷材料的上下兩個表面(鍍有非透明金屬電極的表面和鍍有增透膜的表面)相互平行。圖4為本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)特點為透明電光陶瓷材料的上下兩個表面(鍍有非透明金屬電極的表面和鍍有增透膜的表面)具有一定的夾角，整個透明電光陶瓷材料呈現(xiàn)為梯形結(jié)構(gòu)。圖5是評估本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵衍射效率的偏振相關(guān)性的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。由圖可見，光柵的衍射效率偏振相關(guān)性測試系統(tǒng)，其構(gòu)成包括=He-Ne激光器30，沿該He-Ne激光器30的激光輸出方向依次是準(zhǔn)直透鏡32，起偏器34，本發(fā)明靜電驅(qū)動的反射式強(qiáng)度可調(diào)衍射光柵100，聚焦透鏡36和CXD探測器38。He-Ne激光器30發(fā)出的波長為632. Snm的紅光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡32后進(jìn)入起偏器34， 得到線偏光，該線偏光進(jìn)入本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵100，并在非透明金屬電極22和電光陶瓷材料的交界面發(fā)生反射，反射光經(jīng)鍍有增透膜的入射面出射，并在空氣中傳播一定距離后進(jìn)入聚焦透鏡36，使用CCD探測器38在聚焦透鏡36的后焦面觀察衍射情況。由于驅(qū)動電源28對在非透明金屬叉指電極22上施加電壓之后，在電光陶瓷材料 20內(nèi)部形成電場分布。在電場作用下，電光陶瓷材料PMN-PT或者PLZT不再是各向同性材料，因此Iitl Φ ，不同的偏振方向?qū)?yīng)著不同的折射率，所以不同偏振態(tài)的光在二次電光陶瓷材料內(nèi)部走過的光程不同，因此會有不同的遠(yuǎn)場衍射分布。即本發(fā)明反射式強(qiáng)度可調(diào)衍射光柵存在偏振相關(guān)性。
權(quán)利要求
1.一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵，其特征在于包括透明電光陶瓷材料基底 (20)，在該透明電光陶瓷材料基底00)的入射面鍍有入射光的增透膜，在該透明電光陶瓷材料基底00)的入射面相對的另一面上鍍有兩組相間的叉指電極(22)，該兩組叉指電極 (22)的連接點04)通過各自的電極引線06)與驅(qū)動電源08)的正負(fù)兩極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵，其特征在于所述的透明電光陶瓷材料基底OO)為透明的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛，或鋯鈦酸鉛。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵，其特征在于所述的透明電光陶瓷材料基底OO)的基底的兩表面為平行平面，或成一定夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵，其特征在于所述的叉指電極02)呈彼此平行的線條寬度和線條間隔均勻的梳齒狀。
5.一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟①將一定厚度的電光陶瓷材料的兩面拋光并清潔處理；②根據(jù)設(shè)定的電極寬度及陶瓷材料的尺寸制作叉指電極掩模板；③在所述的電光陶瓷材料的一面涂覆光刻膠，將所述的叉指電極掩模板緊貼在所述的電光陶瓷材料涂有光刻膠的一面上，放在光刻機(jī)中曝光；④在表面濺射一層金屬電極，使用化學(xué)溶劑去除光刻膠，光刻膠上表面附著的金屬薄膜同時被剝離掉，形成所述的叉指電極；⑤清洗所述的電光陶瓷材料；⑥在所述的電光陶瓷材料的背面制作增透膜；⑦在所述的叉指電極上使用導(dǎo)電膠制作連接點，用銅線將該連接點與所述的驅(qū)動電路的兩極相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的制備方法，其特征在于所述的電光陶瓷材料為鈮鎂酸鉛鈦酸鉛或鋯鈦酸鉛。
全文摘要
一種反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵及其制備方法，反射式強(qiáng)度可調(diào)諧電控衍射光柵的構(gòu)成包括包括透明電光陶瓷材料基底，在該透明電光陶瓷材料基底的入射面鍍有入射光的增透膜，在該透明電光陶瓷材料基底的入射面相對的另一面上鍍有兩組相間的叉指電極，該兩組叉指電極的連接點通過各自的電極引線與驅(qū)動電源的正負(fù)兩極相連。通過驅(qū)動電源對叉指電極上的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)衍射光各衍射級之間能量分布發(fā)生變化，實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)諧。本發(fā)明具有電極制作簡單且成本較低，光柵衍射效果不受電極厚度不均勻影響和光路緊湊可制作成集成光學(xué)器件的特點。
文檔編號G02F1/03GK102183851SQ20111010555
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者喬磊, 葉青, 方祖捷, 瞿榮輝, 蔡海文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所