一种产生GHz双折射效应的方法及GHz光弹调制器技术

本发明专利技术公开了一种产生GHz双折射效应的方法及GHz光弹调制器，所述方法包括：通过飞秒、皮秒级超短电磁脉冲激发换能器层产生瞬态的热脉冲并升温，通过热膨胀产生皮秒量级的超短应力脉冲；应力脉冲在光弹晶体内部以声速传播，应力脉冲到达位置处会引起晶格畸变，导致该位置处折射率以及折射率椭球的变化，从而产生了一个具有双折射效应的移动界面；此时，一束偏振光在该界面处发生伴随双折射效应的受激布里渊散射，导致反射光的偏振态发生改变，由于反射界面以声速在光弹晶体内部移动，从而实现反射光偏振态的动态调制；本发明专利技术的优点在于：实现双折射效应GHz高频调制。实现双折射效应GHz高频调制。实现双折射效应GHz高频调制。

【技术实现步骤摘要】
一种产生GHz双折射效应的方法及GHz光弹调制器


[0001]本专利技术涉及高频双折射效应及高频声光调制器领域，更具体涉及一种产生GHz双折射效应的方法及GHz光弹调制器。

技术介绍

[0002]双折射效应是指光束入射到各向异性的晶体时会分解为沿着不同方向折射的两束光，并且两束光会以不同的偏振态和相速度经历不同的折射率传输的现象。双折射效应是很多光学元件的基础，涉及的光学元件可分为静态光学元件和动态光学元件。其中根据双折射效应制成的静态元件有用于相位延迟的相位延迟片、相位补偿器、全光纤移相器等；有用于偏振光偏振态转换的半波片、四分之一玻片等；有用于起偏的偏振分束片、格兰泰勒棱镜、沃拉斯顿棱镜等。此外根据对晶体双折射效应以特定的方式(电、声、磁)施加外部调制制成的动态光学调制器。其中光弹调制器就是一种利用应力诱导晶体双折射而制成的且广泛应用的偏振调制器件，是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。其利用材料在声波应力作用下引起折射率变化，使原本各向同性的材料产生双折射或对各向异性材料的双折射产生调制作用，双折射调制大小正比于应力的大小，从而可实现光偏振状态的可控调制。其像一个“动态的波片”，可以使快轴和慢轴之间产生一个动态变化的折射率差，从而控制光束的偏振进行动态性的变化。
[0003]目前国内外的光弹调制器产品，大多采用高频电压驱动压电材料(例如压电陶瓷)对光弹晶体施加高频的机械力，从而使光弹晶体的双折射性能发生改变。其工作频率主要受限于光弹晶体的固有谐振频率和压电晶体的谐振频率。光弹晶体的固有频率与光弹调制器的通光孔径成反比。以广泛使用的八角形硒化锌光弹调制器为例，要实现调制频率满足～GHz的需求则其通光孔径直径仅能有几十微米。此外，压电晶体的谐振频率通常只有～100kHz量级，无法为光弹晶体提供GHz频率机械调制。综合以上两点可判断现有的高频电压驱动压电材料对光弹晶体施加高频的机械力的技术方法无法对光弹晶体的双折射效应实现GHz频率的调制。例如Hinds Instruments公司生产的PEM200光弹调制器调制速率只有20～100kHz。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于现有的以压电材料对光弹晶体施加高频的机械力实现晶体双折射调制的技术方法的调制频率较低，无法实现双折射效应GHz高频调制。
[0005]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种产生GHz双折射效应的方法，通过飞秒、皮秒级超短电磁脉冲激发换能器层产生瞬态的热脉冲并升温，通过热膨胀产生皮秒量级的超短应力脉冲；应力脉冲在光弹晶体内部以声速传播，应力脉冲到达的位置处会引起晶格畸变，导致该位置处折射率以及折射率椭球的变化，从而产生了一个具有双折射效应的移动界面；此时，若一束偏振光入射到移动界面，则在该移动界面处发生伴随双折射效应的受激布里渊散射，导致反射光的偏振态发生改变，由于移动界面以声速在光
弹晶体内部移动，从而实现反射光偏振态的GHz高频动态调制。
[0006]有益效果：本专利技术的换能器层将飞秒、皮秒级超短电磁脉冲转换为皮秒脉宽的应力脉冲，然后应力脉冲对光弹晶体的折射率和折射率椭球进行调制，产生一个具有双折射效应的移动界面，进而实现线偏光偏振态的GHz调制。
[0007]本专利技术还提供应用上述方法的一种GHz光弹调制器，包括发射飞秒、皮秒级超短电磁脉冲的脉冲发射装置、换能器层以及光弹晶体，所述脉冲发射装置、换能器层以及光弹晶体顺次堆叠集成。
[0008]进一步地，所述高频光弹调制器还包括波谱传输组件，所述波谱传输组件设置于脉冲发射装置与换能器层之间。
[0009]进一步地，所述换能器层通过外延生长的方式完全覆盖在所述光弹晶体表面。
[0010]进一步地，所述换能器层的材料为高吸收率系数、低反射率系数、低透射率系数材料与低比热容材料形成的复合材料。
[0011]更进一步地，所述高吸收率系数、低反射率系数、低透射率系数材料包括炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨等材料中的一种或多种。
[0012]更进一步地，所述低比热容材料包括LaRhO3、SrTiO3、MAPbI3等材料中的一种或多种。
[0013]进一步地，所述光弹晶体的调制幅度与其自身的光弹系数以及应力波的强度正相关。
[0014]进一步地，所述光弹晶体的材料为各向同性的透明光学材料或各向异性的透明光学材料。
[0015]更进一步地，所述各向同性的透明光学材料包括熔融石英或钛酸锶等，所述各向异性的透明光学材料包括冰洲石、偏硼酸钡或铌酸锂等。
[0016]本专利技术的优点在于：
[0017](1)本专利技术的换能器层将飞秒、皮秒级超短电磁脉冲转换为皮秒量级应力脉冲，然后应力脉冲对光弹晶体的折射率和折射率椭球进行高频调制，产生一个具有双折射效应的移动界面，进而实现线偏光偏振态的GHz调制。
[0018](2)本专利技术电磁波吸收层与飞秒、皮秒级超短电磁脉冲发射装置直接连接，避免短脉冲电磁波因长距离传输导致的损耗，大大提高频率范围，通过电磁波吸收层高效率吸收短脉宽的脉冲发射装置发射的脉冲电磁波，产生瞬态的热脉冲；应力波产生层在吸收热脉冲后大幅度升温，并通过热膨胀产生应力脉冲，应力脉冲在光弹晶体内部以声速传播，应力脉冲到达的位置处会引起晶格畸变，导致该位置处折射率以及折射率椭球的变化，从而产生了一个具有双折射效应的移动界面；此时，一束偏振光在该界面处发生伴随双折射效应的受激布里渊散射，导致反射光的偏振态发生改变，由于反射界面以声速在光弹晶体内部移动，因此可实现反射光偏振态的GHz动态调制。
[0019](3)本专利技术在脉冲发射装置与电磁波吸收层之间引入波谱传输组件，从而在换能器层获得能量密度足够强的电磁波辐射。
[0020](4)本专利技术的换能器层选用由电磁波高吸收率系数、低反射率系数、低透射率系数的吸能材料(炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨等)与低比热容的材料所构成的复合材料，从而具有较高的电磁波到应力的能量转换效率。
[0021](5)本专利技术换能器层通过外延生长的方式完全覆盖在光弹晶体上，尽可能的避免因晶格失配、界面效应所导致的声阻不匹配，以提升应力波由换能器层到光弹晶体的传输效率，减少能量损耗。此外可通过结构设计的方法，将换能器层整体制备成凹型，使产生应力波聚焦在光弹晶体，以产生相比于非聚焦情况更强的双折射调制幅度。
[0022](6)光弹晶体的调制幅度与其自身的光弹系数以及应力波的强度正相关，因此，本专利技术的光弹晶体选用光弹系数高的透明材料，以获得偏振角度的大振幅调制。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例所公开的一种高频光弹调制器的结构示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例所公开的一种产生GHz双折射效应的方法的原理示意图；
[0025]图3为本专利技术实施例所公开的一种产生GHz双折射效应的方法中应力脉冲导致晶格畸变处折射率椭球修正原理图；
[0026]图4为LaRhO3/SrTiO3结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种产生GHz高频双折射效应的方法，其特征在于，通过飞秒、皮秒级超短电磁脉冲激发换能器层产生瞬态的热脉冲并升温，通过热膨胀产生皮秒量级的超短应力脉冲；应力脉冲在光弹晶体内部以声速传播，应力脉冲到达的位置处会引起晶格畸变，导致该位置处折射率以及折射率椭球的变化，从而产生了一个具有双折射效应的移动界面；此时，若一束偏振光入射到移动界面，则在该移动界面处发生伴随双折射效应的受激布里渊散射，导致反射光的偏振态发生改变，由于移动界面以声速在光弹晶体内部移动，从而实现反射光偏振态的GHz高频动态调制。2.应用权利要求1所述方法的一种GHz光弹调制器，其特征在于，包括发射飞秒、皮秒级超短电磁脉冲的脉冲发射装置、换能器层以及光弹晶体，所述脉冲发射装置、换能器层以及光弹晶体顺次堆叠集成。3.根据权利要求2所述的一种GHz光弹调制器，其特征在于，还包括波谱传输组件，所述波谱传输组件设置于脉冲发射装置与换能器层之间。4.根据权利要求2所述的一种GHz光弹调制器，其特征在于，所述换能器层通过外延生长的方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛志高，孙韬，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：