CN101303423A - 磁流体光栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流体光栅，包括一个周期性凹槽，一种磁流体，将其填入周期性凹槽中，一个光学透明的刚性覆盖层，用其将磁流体密封在周期性凹槽中，及一个磁场产生装置，其在磁流体所在的位置产生均匀磁场，用于改变磁流体的折射率和吸收系数。该磁流体光栅利用外磁场来控制磁流体的折射率和吸收系数，使得磁流体光栅的折射率调制和吸收系数调制随外磁场的改变而改变，进而实现衍射效率可由外磁场调节的特性。这种衍射效率可调的光栅，可用来制作新型的可调谐光子器件，如：光束偏转器、光调制器、光开关，在光子器件和光通讯领域具有很好的应用前景。

Description

磁流体光栅

技术领域

本发明涉及一种光栅，特别涉及一种衍射效率可调的磁流体光栅。

背景技术

光栅在光学领域是个重要的器件，光栅器件通常用来对激光束调制、偏转、滤波、等。光栅的应用领域非常广泛，包括集成光学、声光学、光谱学、光通讯，等等。目前所普遍采用的光栅都具有固定的周期、固定的折射率和吸收系数调制，因此它们各阶衍射光的衍射效率是固定不变的。因此，对于一个已经制作好的光栅，只能应用于特定的场合或特定的参数环境。若能制作出一种光栅，其周期、折射率调制或者吸收系数调制能随外界因素实时改变，则其各阶衍射光的衍射效率将也随之发生改变。这种光栅的可调谐衍射特性，可用来制作可调谐光子器件，在光通讯领域具有很好的应用价值。

目前已发现磁流体的折射率和吸收系数随着外磁场的强度的变化而变化，参考，如，Yang等，Applied Physics Letters，Volume 84，5204(2004)和Horng等，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Volume 252，104(2002)。磁流体的这种特性用来制作光栅，可实现衍射效率可调的功能，具有很好的应用价值。但经过对现有技术文献进行检索发现，还不曾有利用磁流体来制作光栅的技术和磁流体光栅的器件。有鉴于此，开发出磁流体光栅、一种衍射效率可在线调节的光栅具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是针对传统光栅衍射效应固定不变，不可调节，运用面狭窄的问题，提出了一种磁流体光栅，利用外磁场的强度来控制磁流体的折射率和吸收系数，进而使得磁流体光栅的折射率调制和吸收系数调制随外磁场的改变而改变，实现磁流体光栅衍射效率可调的特性。

本发明的技术方案为：一种磁流体光栅，所述磁流体光栅包括一个周期性凹槽、一种磁流体、一个光学透明的刚性覆盖层及一个磁场产生装置，磁流体填入周期性凹槽的各个凹槽中，光学透明的刚性覆盖层将磁流体密封在周期性凹槽中，磁场产生装置置于周期性凹槽外，磁场产生装置通电后在磁流体所在的位置产生均匀、可调的磁场，用于改变磁流体的折射率和吸收系数。

所述的周期性凹槽是在光学透明的刚性衬底上用带折射率的光学材料隔成一个个凹槽，制作凹槽的方法采用蚀刻法。所述磁流体，由表面包覆活性剂的磁性微粒和用于分散磁性颗粒的液相载液组成。所述周期性凹槽的深度在1μm-10μm之间、宽度在1μm-200μm之间。所述光学透明的刚性衬底和光学透明的刚性覆盖层为石英(SiO₂)、光学玻璃。所述的周期性凹槽的周期Λ、深度d、入射光波长λ和磁流体光栅的平均折射率n₀满足关系式2πλd/(n₀Λ)²＜＜1薄光栅条件，形状选用矩形、锯齿形、余弦形。所述的磁流体的磁性微粒选用四氧化三铁(Fe₃O₄)、三氧化二铁(Fe₂O₃)、锰锌铁氧体，表面活性剂选用油酸、亚油酸、橄榄油，液相载液选用水、煤油。所述的磁场产生装置包括一个或一对螺线圈和一个可调直流恒流源，该可调直流恒流源用于给电磁铁或螺线圈供电，其输出电流的大小控制电磁铁磁场或螺线圈感应磁场的强度。所述的磁场产生装置产生的磁场平行于衬底或覆盖层的表面、并且垂直于凹槽的长边侧壁。

本发明的有益效果在于：本发明将磁流体这一液相磁性物质用来制作光栅，利用磁流体的折射率和吸收系数随外磁场强度变化的特点，通过外磁场即可控制光栅的衍射光效率，从而实现了衍射效率可调的光栅。实现了可在线、实时调节指定阶次衍射光的衍射效率，为光通讯和光子器件领域的性能提高提供了新的方法。

附图说明

图1为本发明磁流体光栅的周期性凹槽示意图；

图2为本发明磁流体光栅的整体结构示意图；

图3为本发明磁流体光栅的折射率分布和吸收系数分布示意图；

图4为本发明实施例的周期性凹槽的显微照片实物图；

图5为本发明实施例的磁流体光栅的显微照片实物图；

图6为本发明实施例的磁流体光栅在不同磁场强度下的衍射图样。

具体实施方式

图1为磁流体光栅的周期性凹槽示意图，周期性凹槽是在光学透明的刚性衬底1上用带折射率的材料3隔成一个个凹槽2，隔制凹槽的材料3可根据光栅设计的需要选择恰当折射率的光学材料，制作凹槽的方法可采用蚀刻法。

图2为磁流体光栅的整体结构示意图，其包括：一个周期性的凹槽，一种磁流体5，一个光学透明的刚性覆盖层4；外带一个磁场产生装置，磁流体5填入周期性的凹槽的各个凹槽2中，光学透明的刚性覆盖层4盖在上面，将磁流体密封在周期性凹槽中，磁场产生装置置于周期性凹槽外，通电后产生的磁场平行于所述的衬底1(或覆盖层4)的表面、并且垂直于周期性凹槽的各个凹槽长边侧壁11。

所述的周期性凹槽中的凹槽2深度在1μm-10μm之间、宽度在1μm-200μm之间、形状可为矩形、锯齿形、余弦形。同时要求所述的周期性凹槽的周期Λ、深度d、入射光波长λ和所述的磁流体光栅的平均折射率n₀满足关系式2πλd/(n₀Λ)²＜＜1(即薄光栅条件)。

所述的光学透明的刚性衬底1和光学透明的刚性覆盖层4可选用石英(SiO₂)、光学玻璃。

所述的磁流体5的磁性微粒可选用四氧化三铁(Fe₃O₄)、三氧化二铁(Fe₂O₃)、锰锌铁氧体，表面活性剂可选用油酸、亚油酸、橄榄油，液相载液可选用水、煤油。

所述的磁场产生装置包括一个电磁铁(或一对螺线圈)6、7和一个可调直流恒流源8，可调直流恒流源8用于给电磁铁(或螺线圈)6、7通电，利用可调直流恒流源8的输出电流的大小来控制电磁铁(或螺线圈)6、7的磁场强度。

下面将具体描述本发明衍射效率可调的磁流体光栅的工作原理：

参见图2，当可调直流恒流源8输出电流为零时，电磁铁(或螺线圈)6、7不产生磁场，入射光束9经过磁流体光栅时会发生衍射，各阶衍射光束10的衍射效率都是确定的。当可调直流恒流源8输出电流给电磁铁(或螺线圈)6、7时，磁流体5的折射率和吸收系数将发生变化，从而使得磁流体光栅的折射率和吸收系数变化，如图3磁流体光栅的折射率分布和吸收系数分布示意图所示，折射率从图中12变为图中13，吸收系数从图中14变为图中15，最终导致磁流体光栅的衍射光束10的衍射效率将发生变化。并且磁流体光栅的折射率和吸收系数变化大小与电磁铁(或螺线圈)6、7产生的磁场强度成正比，即与可调直流恒流源8输出电流大小成正比，进而可以通过连续改变可调直流恒流源8输出电流大小来连续地改变衍射光束10的衍射效率，实现衍射效率连续可调的光栅的功能。

下面将用实施例作进一步的说明：

首先用甩胶台在一干净的载玻片上旋涂4μm厚的光刻胶，该载玻片用作光学透明的刚性衬底1，该光刻胶用作周期性凹槽的材料。利用掩模光刻的方法在光刻胶上刻出周期为21μm、占空比为50％的矩形周期性凹槽2，然后后烘使得剩余的光刻胶坚硬结实，用作构成隔制凹槽的材料3。该实施例所制作的周期性凹槽的显微照片如图4所示。将磁流体5填入上述周期性凹槽2中，并在其上用另一个干净的载玻片盖住，将磁流体5密封在其中，该载玻片用作光学透明的刚性覆盖层4。此即形成磁流体光栅，如图5所示，为该实施例所制作的磁流体光栅的显微照片。采用图2所示的装置观察所制作出的磁流体光栅的可调衍射效率，让波长为632.8nm的He-Ne激光束9垂直照射所制作出的磁流体光栅，利用磁场产生装置产生不同强度的磁场，观察不同磁场强度下的磁流体光栅的衍射光束10的衍射效率。在不同的磁场强度下，利用激光功率计测量出入射光束9和各阶衍射光束10的功率，即可定量地得出各阶衍射光10的衍射效率。该实施例中的磁流体光栅在四种不同磁场强度下的衍射图样如图6所示。

实验表明：当磁场强度增加时，零阶衍射光的衍射效率减小，而高阶衍射光的衍射效率增大，明显地观察到零阶衍射光的能量转移到高阶衍射光上去。反之，当磁场强度减小时，高阶衍射光的衍射效率减小，而零阶衍射光的衍射效率增大，明显地观察到高阶衍射光的能量转移到零阶衍射光上去。在该实施例中，当磁场强度由0Oe增大到500Oe时，观察到零阶衍射光和一阶衍射光的衍射效率之比由10.46变化到0.27。

上述的实施例只被用来提供举例说明本发明，但并不局限这项发明所涵括的范围。其它有关本发明的变化，对于一个具有平常技巧的专业人员而言，是容易且明显的。这些依据本发明精神的等效物和变型，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种磁流体光栅，其特征在于所述磁流体光栅包括一个周期性凹槽、一种磁流体、一个光学透明的刚性覆盖层及一个磁场产生装置，磁流体填入周期性凹槽的各个凹槽中，光学透明的刚性覆盖层将磁流体密封在周期性凹槽中，磁场产生装置置于周期性凹槽外，磁场产生装置通电后在磁流体所在的位置产生均匀、可调的磁场，用于改变磁流体的折射率和吸收系数。

2.根据权利要求1所述的磁流体光栅，其特征在于所述的周期性凹槽是在光学透明的刚性衬底上用带折射率的材料隔成一个个凹槽，制作凹槽的方法采用蚀刻法。

3.根据权利要求1所述的磁流体光栅，其特征在于所述磁流体，由表面包覆活性剂的磁性微粒和用于分散磁性颗粒的液相载液组成。

4.根据权利要求1、2所述的磁流体光栅，其特征在于所述周期性凹槽的深度在1μm 10μm之间、宽度在1μm-200μm之间。

5.根据权利要求1、2所述的磁流体光栅，其特征在于所述光学透明的刚性衬底和光学透明的刚性覆盖层为石英(SiO₂)、光学玻璃。

6.根据权利要求1、2、3、4所述的磁流体光栅，其特征在于，所述的周期性凹槽的周期Λ、深度d、入射光波长λ和磁流体光栅的平均折射率n₀满足关系式2πλd/(n₀Λ)²＜＜1薄光栅条件。

7.根据权利要求1、2、4、6所述的磁流体光栅，其特征在于所述的周期性凹槽的形状选用矩形、锯齿形、余弦形。

8.根据权利要求1、3所述的磁流体光栅，其特征在于所述的磁流体的磁性微粒选用四氧化三铁(Fe₃O₄)、三氧化二铁(Fe₂O₃)、锰锌铁氧体，表面活性剂选用油酸、亚油酸、橄榄油，液相载液选用水、煤油。

9.根据权利要求1所述的磁流体光栅，其特征在于所述的磁场产生装置包括电磁铁或一对螺线圈和一个可调直流恒流源，该可调直流恒流源用于给电磁铁或螺线圈供电，其输出电流的大小控制电磁铁磁场或螺线圈感应磁场的强度。

10.根据权利要求1、9所述的磁流体光栅，其特征在于，所述的磁场产生装置产生的磁场平行于衬底或覆盖层的表面、并且垂直于凹槽的长边侧壁。

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