[发明专利]一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法

说明书

技术领域

本发明属于电光元器件的设计与制备领域，特别涉及一种新型的电控光偏转技术。

背景技术

基于电光效应的光偏转技术由于响应速度快、任意的偏转角、较小的体积、没有可 移动部件、可靠性很高等特点，被认为最适合于实现超快(纳秒级)光束偏转技术，更 满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要，是未来光偏转发展技术的主导方向之一， 具有很大的应用前景。目前已提出的电光偏转方法有：

基于晶体棱镜型的偏转方法：通过将晶体切割成棱镜形的形状，如直角棱镜，从而 使入射光束发生偏转。为了增大偏转角度，在LiTaO₃、LiNbO₃等晶体上，常采用多级 级联晶体棱镜、级联畴反转晶体棱镜等方法。通过这种多级级联的方法，其偏转角度也 仅为10^-5rad左右，且所需的棱镜数目较多，制作工艺较为繁琐。

基于特殊电极结构型的偏转方法：通过在晶体表面设计特殊的电极结构，在电光晶 体中形成垂直于光束传播方向的梯度电场。当平面波垂直入射时，发生偏转。常采用的 电极结构，如圆柱电极结构、双曲面电极结构、凹圆形电极结构、超越曲面电极结构等， 晶体有LiNbO₃、KDP等。相比于基于晶体棱镜型的偏转方法，该偏转角度增大了一个 数量级，但也仅达到了10^-4rad，仍很小，且需要很高的外加电场，电极加工相对比较困 难。

以上两种电光偏转方法均属于传统型的电光偏转器的范畴，偏转角度普遍较小。

基于电荷控制的新型电光偏转方法：2006年由日本的NTT光子实验室提出，该方 法通过外电场在矩形的KTN晶体中注入电子(矩形均匀电极)，形成空间电荷分布， 产生不均匀电场，基于Kerr效应在晶体内形成梯度折射率分布，使光束发生偏转。偏 转角与电压的平方成正比，偏转方向平行于电场，可实现大角度低电压的扫描。该实验 室已报道了在通光方向长5mm，厚度为0.5mm的KTN晶体中实现了250mrad(14.3°)偏 转，外加电压只有±250V。基于LiTaO₃晶体的电光偏转器用14200V/mm的外加电场， 在15mm光程上使用10个棱镜形的晶体，才达到了这一指标。

目前，国内山东大学国家重点实验室基于KTN晶体，采用偏振方向与电场方向平 行的激光束入射晶体，在千伏电压内实现了激光光束垂直于电场方向的75mrad偏转， 实现了激光光束垂直电场方向偏转的扫描。华中科技大学光电国家实验室提出一种基 于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法。该方法是在矩形的KTN晶体上外加直流 电场，使晶体内部电场呈梯度分布，从而使入射光束发生偏转。

发明内容

本发明提出一种纳秒级光可编程的电控光偏转方法。利用诱导光束(光强具有线性 梯度灰度分布的光束、凸加速光束)照射晶体，通过光折变效应，在晶体中诱导形成具 有相应光场分布的空间电荷场，进而产生相应分布的折射率分布。对该晶体加载电压， 平面平行光波垂直入射该晶体，发生偏转。通过改变诱导光束或/和外加电场的参数控 制光束的偏转方向或/和角度。

本发明不同于以往的基于电诱导的空间电荷控制的光束偏转理论，而是通过不同的 光场分布来诱导形成不同的空间电荷场，实现对光可编程的电控光束偏转，可实现纳秒 级、大角度、低电压的光束偏转，为光偏转领域技术的研究提供了一种新的方法。

本发明方法的具体过程包括：