[发明专利]用于激光脉冲喷丸技术中激光能量调制的电光调制装置

说明书

技术领域

本发明涉及共轭聚合物波导电光调制器，尤其是一种同时利用共轭聚合物材料的Pockels效应和Kerr效应的电光调制器。

背景技术

在激光脉冲喷丸强化与成形技术中，激光能量的大小对实验结果的影响是最为显著的，因而实现激光能量大小的精细调节是更精确的进行激光脉冲喷丸强化与成形实验研究与工业化生产的必要条件。

有机聚合物非线性(NLO)材料因其快速响应时间和较大的二阶、三阶非线性极化率而倍受关注，它具有其它NLO材料无法比拟的合成和加工优势，结构易于剪裁，同时具有良好的机械性能、高的激光损伤阈值。聚合物NLO材料大规模生产的每个成熟的聚合步骤成本都很低廉，有机聚合物材料的稳定性已能满足器件应用的要求，有机聚合物材料的电光活性已达到或超过了铌酸锂晶体。在各种有机非线性材料中，共轭型聚合物是最被广泛应用的。Charles Greenlee等人在《Optics Express》(《光学快讯》)Vol.19(13)：12750-12758,2011(2011年，第19卷(第13期)第12750-12758页)中的论文“Electro-optic polymer spatial light modulator based on a Fabry Perot interferometer configuration”(基于法布里-珀罗干涉仪结构的电光聚合物空间光调制器)提到因为具有易离域化的π-共轭电子结构，通常显示出常规高分子所不具有的独特非线性光学性质，具有大的非共振非线性极化率和超快的非线性光学响应时间，其特性可以随着其主链、侧链的变化而改变。基于共轭聚合物的光子器件研究是光子学研究的重要方面。

有机聚合物波导电光调制器结构主要有两种形式：波导传输型的Mach-Zender(M-Z)结构和衰减全反射型结构。M-Z结构干涉型有机聚合物电光调制器，具有带宽高，半波电压低等优点，但也有其难以克服的缺点，如有机功能材料的传输损耗大(一般情况下＞1dB/cm)，造成器件的插入损耗很大(＞10dB)，妨碍了它的广泛使用。衰减全反射型有机聚合物电光调制器，采用导模共振模式代替了表面等离子体共振模式，大大降低了调制器的工作电压，提高了器件调制度。反射型的结构，不存在传输损耗，降低了对材料损耗的要求。

Bartos Chmielak等人在《Optics Express》(《光学快讯》)Vol.19(18)：17212-17219,2011(2011年，第19卷(第18期)第17212-17219页)中的论文“Pockels effect based fully integrated，strained silicon electro-optic modulator”(基于全集成应变硅电光调制器的Pockels效应)提到在一般情况下，具有二阶非线性效应的共轭聚合物材料，同时也具有三阶非线性效应，只是三阶非线性系数较小。与之相对应的pokels效应(一次电光效应)和Kerr效应(二次电光效应)也具有同样的关系，二次电光系数通常小于其Pockels系数。因而，大部分电光聚合物调制器是基于Pockels效应而不是Kerr效应。

另外，在激光脉冲喷丸强化与成形过程中，激光光斑面积较大，一般为5mm×5mm，而现有的调制器不可以实现大面积光斑的调制，所以不适用于激光脉冲喷丸强化与成形。

发明内容

基于以上考虑，如果提出一种能够对光斑面积较大的激光进行调制，并且精细调节激光能量的调制器，将是非常有利的。

根据本发明的一方面，提出了一种用于激光脉冲喷丸技术中激光能量调制的电光调制装置，其是在棱镜表面的多层薄膜结构，包括：第一金属薄膜，由金或银制成，其厚度为30nm至50nm，第一金属薄膜作为耦合层和第一电极；电光聚合物薄膜，其具有一次和二次电光效应，作为波导层，电光聚合物薄膜的厚度为1μm至10μm；第二金属薄膜，由金或银制成，作为第二电极，其厚度为300nm至500nm；缓冲层，是聚甲基丙烯酸甲酯材料，位于波导层和第二电极之间，用于保护波导层，缓冲层的厚度为1μm至4μm；其中，棱镜的折射率高于第一、第二金属薄膜、缓冲层和电光聚合物薄膜的折射率。

当入射到棱镜底面的激光满足共振条件时，入射光的能量被耦合到波导中，反射光的强度降低，形成导波共振峰。加在电光聚合物薄膜(z方向)的外加电场改变了聚合物薄膜的折射率，改变了导模的传播系数，使导波共振峰的位置发生偏移，反射光强被调制。电光共轭聚合物薄膜的场致折射率的变化与外加电场的关系为：