CN101419344A - 基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置及方法，属于激光控制技术领域。本发明在一棱镜底面和一电光材料铌酸锂晶片下表面分别镀上金属膜，调节棱镜底面和铌酸锂晶片表面平行并用金属支架固定，形成由上层金属膜-空气隙-铌酸锂晶片-下层金属膜组成的双面金属包覆波导。激光入射到波导表面时，在满足相位匹配的条件下耦合进入导波层，激发导模共振增强反射光的侧向位移。在上下两层金属膜上镀上电极外接直流电压源，调节电压，利用铌酸锂的电光效应和压电效应改变导波层参数，引起反射光古斯汉欣位移变化，从而实现对光束平移的控制。本发明对光束平移的控制可以达到很高的稳定性和精确度，而且可应用于一般环境。

Description

基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光技术领域装置和方法，特别是一种基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置及方法。

背景技术

光束平移控制被广泛应用于工业加工和信息存储领域，随着激光应用的发展和技术革新，激光光束的高频高精度控制已经成为激光应用一个必不可少的环节。光束移动控制在工业加工领域一般采用机械移动光源的方式进行，方法简单直观，通过控制机械传动直接实现光束移动。但这种方法缺点也是显而易见，其振动噪声往往比较大，加工精密程度受到极大的限制。在信息存储领域，特别是光学存储介质的读取和写入装置中，光束移动控制一般通过移动光路中一个或多个光学部件(棱镜、折射光栅等)来改变光束的位置。这种方法可以实现光束微小位移的控制，但仍然没有脱离机械控制光路元件的方法，控制的稳定性和操作的简易程度受到一定限制。

经过对现有技术文献的检索发现，Li-Gang Wang等人在《Physical ReviewA》Vol.77，023811(2008)上发表“Control of the Goos-

 shift ofa light beam via a coherent driving field”(通过相干驱动场控制光束古斯汉欣位移，物理评论A，Vol.77，023811(2008))一文，从理论上提出，可以利用外加相干光场改变空腔结构中的二能级原子介质，从而实现对光束古斯汉欣位移的控制。这种方法好处就在于可以不用改变装置结构的几何外形和空间位置，对光束平移的控制可以达到很高的稳定性和精确度。其困难之处就在于二能级原子介质对实验条件和环境要求很高，难以应用于一般环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置及方法，通过将电光材料铌酸锂晶体引入双面金属包覆波导中，利用铌酸锂晶体的电光效应和压电效应，采用外加电压调节波导的导波层参数，从而实现对光束平移的控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置，包括棱镜、上层金属膜、铌酸锂晶片、下层金属膜、空气隙、直流电压源，棱镜位于铌酸锂晶片上方，棱镜底面镀有上层金属膜，铌酸锂晶片下表面镀有下层金属膜，棱镜底面与铌酸锂晶片表面平行，两者通过金属支架刚性固定，棱镜与铌酸锂晶片之间为空气隙，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂晶片—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构，上层金属膜和下层金属膜上镀有电极外接直流电压源。

本发明所涉及的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，包括如下步骤：

第一步，在一抛光的棱镜底面和一铌酸锂晶片下表面分别镀上两层金属膜，调节棱镜底面与铌酸锂晶片表面平行，并用金属支架将两者刚性固定，棱镜与铌酸锂晶片之间为空气隙，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构；

第二步，将光束入射到棱镜底面的上层金属膜，在满足相位匹配的条件下，光束能量耦合进入双面金属包覆波导结构中引起反射光相对于入射光产生相位突变，导致反射光的古斯汉欣位移大大增强；

第三步，在两层金属膜上镀上电极外接直流电压源，由于铌酸锂晶体具有电光效应和压电效应，通过改变外加电压调节导波层参数，从而实现对反射光的侧向位移的控制。

所述上层金属膜，上层金属膜选用对工作波长吸收较小的贵金属，一般选用金或银。其厚度的设计跟工作波长、金属在工作波长下的介电常数以及导波层的厚度有关，可以预先进行理论模拟。厚度一般为20nm～25nm。

所述空气隙，其厚度一般为0.1mm～0.3mm。

所述铌酸锂晶片，其电光系数与压电系数与工作波长相关，其厚度一般为0.3mm～0.5mm。

所述下层金属膜，下层金属膜材料选择与上层金属膜相同。下层金属膜在波导中只起到包覆层作用，因此厚度相对比较大，一般大于200nm。

所述光束入射角θ，一般选择反射率最大值附近。

所述光束的偏振方式，为TE偏振或TM偏振。

下面用高斯光束模型说明本发明的工作原理：

考虑如下的一束高斯光束

${\mathrm{\ψ}}_i(x,z=0)=\exp ({-x}^2/{2w}_x^2+{\mathrm{i\β}}_{x0}x)---\left(1\right)$

其中w_x＝w₀secθ₀，w₀是光束的束腰半径，θ₀是入射角，β_x0是在入射角θ₀下波矢的切向分量。对上式进行傅立叶展开

${\mathrm{\ψ}}_i(x,z=0)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\∫A\left({\mathrm{\β}}_x\right)\exp \left({\mathrm{i\β}}_{x}x\right)\mathrm{d\β}---\left(2\right)$

就得到入射光的傅立叶频谱A(β_x)

$A\left(\mathrm{\β}\right)=w_x\exp [-(w_x^2/2){({\mathrm{\β}}_x-{\mathrm{\β}}_{x0})}^2]---\left(3\right)$

光在界面反射以后，每个频谱分量的光都必须引入一项反射系数r(β_x)，因此反射光的电磁场分布由下式给出：

${\mathrm{\ψ}}_r(x,z=0)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\∫r\left({\mathrm{\β}}_x\right)A\left({\mathrm{\β}}_x\right)\exp \left({\mathrm{i\β}}_{x}x\right){\mathrm{d\β}}_x---\left(4\right)$

上式的积分限在区间(-β_p，β_p)，其中β_p是空气中的波矢.在区间(-β_p，β_p)上计算这个积分就可以得到反射光的电磁场分布。找到|Ψ_r(x，z＝0)|的最大值所在处就可以得到反射光古斯汉欣位移的值。

当外加电压为U时，铌酸锂的电光效应导致其折射率变化为

${\mathrm{\Δn}}_3=-\frac{1}{2}{n}_3^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3,---\left(5\right)$

其中n₃为铌酸锂的o光折射率，γ₁₃为电光系数，E₃为铌酸锂层的电场强度。同时由于铌酸锂的压电效应，铌酸锂层以及空气层厚度变化分别为

Δd₃＝d₃₃E₃d₃，(6)

Δd₅＝-d₃₃E₃d₃，(7)

其中d₃为铌酸锂层未加电压时的厚度，d₃₃为铌酸锂的压电系数。

由(5-7)式可知，通过调节外加电压可改变波导的导波层参数，使(4)式中反射系数r(β_x)发生变化影响反射光的电磁场分布ψ_r，从而实现对光束平移的控制。

本发明激光入射到波导表面时，在满足相位匹配的条件下耦合进入导波层，激发导模共振增强反射光的侧向位移。在上下两层金属膜上镀上电极外接直流电压源，调节电压，利用铌酸锂的电光效应和压电效应改变导波层参数，引起反射光古斯汉欣位移变化，从而实现对光束平移的控制，对光束平移的控制可以达到很高的稳定性和精确度，具体参数见实施例部分，而且可以应用于一般环境。

附图说明

图1为本发明装置的结构以及方法原理图；

其中：1-棱镜，2-上层金属膜，3-铌酸锂晶片，4-下层金属膜，5-空气隙，6-直流电压源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作具体说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例所涉及的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置，包括棱镜1、上层金属膜2、铌酸锂晶片3、下层金属膜4、空气隙5、直流电压源6，棱镜1底面镀有上层金属膜2，铌酸锂晶片3下表面镀有下层金属膜4，棱镜1底面与铌酸锂晶片3表面平行，两者通过金属支架刚性固定，棱镜1与铌酸锂晶片3之间为空气隙5，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂晶片—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构，上层金属膜2和下层金属膜4上镀有电极外接直流电压源6。

所述上层金属膜1，选用金或银，厚度为20nm～25nm。

所述空气隙5，其厚度为0.1mm～0.3mm。

所述铌酸锂晶片3，其厚度为0.3mm～0.5mm。

所述下层金属膜4，下层金属膜材料选择与上层金属膜相同。下层金属膜厚度大于200nm。

所述直流电压源6，其电压调节范围在0～2400V。

实施例2：

本实施例所涉及的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，以波长860μm为例，在此波长下，铌酸锂o光折射率为2.392，电光系数为γ₁₃＝8.27pm/V，压电系数为d₃₃＝8pm/V。

第一步，在一抛光的棱镜1底面和一铌酸锂晶片3下表面分别镀上两层金属膜2、4，调节棱镜1底面与铌酸锂晶片3表面平行，并用金属支架将两者刚性固定，棱镜1和铌酸锂晶片3之间为空气隙5，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构。

第二步，将光束入射到棱镜1底面的上层金属膜2，在满足相位匹配的条件下，光束能量耦合进入双面金属包覆波导结构中引起反射光相对于入射光产生相位突变，导致反射光的古斯汉欣位移大大增强；

第三步，在两层金属膜2、4上镀上电极外接直流电压源6，由于铌酸锂晶体具有电光效应和压电效应，通过改变外加电压调节导波层参数，从而实现对反射光的侧向位移的控制。

第一步中，金属材料选择金，棱镜1折射率为1.5，棱镜1底面镀上的金膜2厚度为20nm，空气隙5厚度为0.1mm，其折射率为1，铌酸锂晶片3厚度为0.3mm，铌酸锂晶片3上金膜4厚度为200μm，金的介电系数为ε＝-28+1.8i(波长860μm附近)。光束为TE偏振，入射角根据理论模拟选择在θ＝5.010°。

根据所述的高斯光束模型计算，当波导及光束设定在上述参数时，外加直流电压在0～800V范围内调节可控制反射光在0～940μm的范围内平移。反射光的平移量随外加电压调节而改变的情况如下表所示：

 

外加直流电压(V)	反射光平移量(μm)
		0100200300400500600700	035.8681.68143.45241.07429.35683.37863.68

 

800

946.37

实施例3：

本实施例所涉及的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，以波长860μm为例，在此波长下，铌酸锂o光折射率为2.392，电光系数为γ₁₃＝8.27pm/V，压电系数为d₃₃＝8pm/V。

第一步，在一抛光的棱镜1底面和一铌酸锂晶片3下表面分别镀上两层金属膜2、4，调节棱镜1底面与铌酸锂晶片3表面平行，并用金属支架将两者刚性固定，棱镜1和铌酸锂晶片3之间为空气隙5，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构。

本实施例中，金属材料选择金，棱镜1折射率为1.5，棱镜1上的金膜2厚度为25nm，空气隙5厚度为0.2mm，其折射率为1，铌酸锂晶片3厚度为0.4mm，铌酸锂晶片3上的金膜4厚度为200μm，金的介电系数为ε＝-28+1.8i(波长860μm附近)。光束为TE偏振，入射角根据理论模拟选择在θ＝5.676°。

第二步和第三步与实施例2相同。

根据计算表明，当波导及光束设定在上述参数时，外加直流电压在0～2000V范围内调节可控制反射光在0～940μm的范围内平移。反射光的平移量随外加电压调节而改变的情况如下表所示：

 

外加直流电压(V)	反射光平移量(μm)
		0200400600800100012001400160018002000	049.75118.42220.91365.20525.41666.72777.17858.77913.50943.35

实施例4：

本实施例所涉及的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，以波长860μm为例，在此波长下，铌酸锂o光折射率为2.392，电光系数为γ₁₃＝8.27pm/V，压电系数为d₃₃＝8pm/V。

第一步，在一抛光的棱镜1底面和一铌酸锂晶片3下表面分别镀上两层金属膜，调节棱镜1底面与铌酸锂晶片3表面平行，并用金属支架将两者刚性固定，棱镜1和铌酸锂晶片3之间为空气隙5，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构。

本实施例中，金属材料选择银，棱镜1折射率为1.5，棱镜1底面镀上的金膜2厚度为23nm，空气隙5厚度为0.3mm，其折射率为1，铌酸锂晶片3厚度为0.5mm，铌酸锂晶片3上的金膜4厚度为200μm，金的介电系数为ε＝-34.2+1.17i(波长860μm附近)。光束为TM偏振，入射角根据理论模拟选择在θ＝3.927°。

第二步和第三步与实施例2相同。

根据计算表明，当波导及光束设定在上述参数时，外加直流电压在0～2400V范围内调节可控制反射光在0～1080μm的范围内平移。反射光的平移量随外加电压调节而改变的情况如下表所示：

 

外加直流电压(V)	反射光平移量(μm)
		020040060080010001200140016001800200022002400	036.9182.81153.64270.36433.98603.58748.24861.97946.771009.621053.521080.46

Claims (10)

1、一种基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置，其特征在于包括棱镜、上层金属膜、铌酸锂晶片、下层金属膜、空气隙、直流电压源，其中：棱镜位于铌酸锂晶片上方，棱镜底面镀有上层金属膜，铌酸锂晶片下表面镀有下层金属膜，棱镜底面与铌酸锂晶片表面平行，两者通过金属支架刚性固定，棱镜与铌酸锂晶片之间为空气隙，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂晶片—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构，上层金属膜和下层金属膜上镀有电极外接直流电压源。

2、根据权利要求1所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置，其特征是，所述金属膜，上层金属膜金属选用金或银，厚度一般为20nm～25nm；下层金属膜材料选择与上层金属膜相同，下层金属膜厚度大于200nm。

3、根据权利要求1所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置，其特征是，所述空气隙，其厚度为0.1mm～0.3mm。

4、根据权利要求1所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制装置，其特征是，所述铌酸锂晶片，其厚度为0.3mm～0.5mm。

5、一种基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在一抛光的棱镜底面和一铌酸锂晶片下表面分别镀上两层金属膜，调节棱镜底面与铌酸锂晶片表面平行，并用金属支架将两者刚性固定，棱镜与铌酸锂晶片之间为空气隙，形成由上层金属膜—空气隙—铌酸锂—下层金属膜组成的双面金属包覆波导结构；

第二步，将光束入射到棱镜底面的上层金属膜，在满足相位匹配的条件下，光束能量耦合进入双面金属包覆波导结构中引起反射光相对于入射光产生相位突变，导致反射光的古斯汉欣位移大大增强；

第三步，在两层金属膜上镀上电极外接直流电压源，由于铌酸锂晶体具有电光效应和压电效应，通过改变外加电压调节导波层参数，从而实现对反射光的侧向位移的控制。

6、根据权利要求5所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，其特征是，所述光束入射角θ，选择反射率最大值附近。

7、根据权利要求5所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，其特征是，所述光束的偏振方式，为TE偏振或TM偏振。

8、根据权利要求5所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，其特征是，所述金属膜，上层金属膜金属选用金或银，厚度一般为20nm～25nm；下层金属膜材料选择与上层金属膜相同，下层金属膜厚度大于200nm。

9、根据权利要求5所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，其特征是，所述空气隙，其厚度为0.1mm～0.3mm。

10、根据权利要求5所述的基于古斯汉欣位移效应的光束平移电控制方法，其特征是，所述铌酸锂晶片，其厚度为0.3mm～0.5mm。

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