產生單偏振的偏振方法

2023-05-08 23:39:46

專利名稱：產生單偏振的偏振方法
技術領域：
本發明所涉及的是一種產生單偏振的方法，特別是一種基於加長稜鏡中的表面等離子共振產生單偏振的偏振方法，屬於光電子通信和光信息處理領域。
背景技術：
近二十年來，隨著雷射技術特別是光通信技術的發展，光學偏振方法的研究和應用取得了長足的進步。其中，最為常見的是利用晶體中的雙折射效應而採用的切割雙折射稜鏡法或粘合雙折射稜鏡法，並且該方法已經進入實用，對它的報導也較多。經文獻檢索，發現專利號為6,456,434B1的美國專利提出了一種利用切割雙折射稜鏡來實現雷射光束偏振的方法。該方法中，一塊方解石晶體被切割成特定形狀，利用晶體中的雙折射效應，使入射雷射中的兩個偏振分量分別沿不同的路徑在稜鏡中傳播，但是它們的分離量非常有限。進一步的，因為這兩個分量在稜鏡中反射的角度不同，並結合稜鏡的特殊切割形狀，可以使兩個分量中的一個在稜鏡內反射兩次，而另一個在稜鏡內只反射一次，從而將兩個分量較為明顯的區分開來，實現光束的偏振。
除了這種方法之外，為了有效利用某些晶體中的雙折射效應來製作偏振器件的方法還有粘合稜鏡法。同樣的，雷射光束被引入一塊的雙折射晶體稜鏡，雷射中的兩個偏振分量因雙折射效應略微分開，但它們的分離量仍然有限。這樣，為了進一步擴大它們的分離量，將另一塊光軸方向與前一塊不同的雙折射稜鏡與之粘合，這種特殊的放置方式將使兩個偏振分量的分離量繼續擴大，直至完全分開，實現光束的偏振。
該兩種方法能對雷射光束進行起偏，並達到較高的偏振度(通常，粘合稜鏡的方法能達到40dB以上的偏振消光比)。和這兩種方法相近，其它常用的粘合稜鏡的方法還有洛匈(Rochon)稜鏡、渥拉斯頓(Wollaston)稜鏡、尼科耳(Nicol)稜鏡以及其它的格蘭類(Glan-type)稜鏡等。但由於在這種粘合稜鏡或切割的結構中，稜鏡的加工和光軸定向非常複雜，精度要求很高，例如，通常要求稜鏡的切割面要完全平行於晶體的光軸，且粘合稜鏡法中，其相對的兩個面之間的夾角需要加工的非常精確以保證其差值為一特定常數以滿足雙折射效應的最優化，兩塊稜鏡粘合時還要注意其相對的光軸要完全正交或平行，光束入射時要完全平行或垂直與晶體的光軸。而這些要求在實際的機械加工和光學應用中通常難以完全滿足，不可避免的使器件的性能有所降低。除此之外，有些稜鏡的設計要求光束從稜鏡的某一個面入射，而如果將光路逆轉180度(這在光學應用中是常有的事)，器件的性能將與正向入射時有較大的差異。另外，兩塊稜鏡的粘合通常使用加拿大樹膠等材料，而這些材料的吸收也極大的限制了這類方法的應用範圍。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種基於表面等離子共振產生單偏振的偏振方法，使其通過底面鍍有金屬膜的稜鏡激發的表面等離子共振來實現雷射的偏振，並通過加長稜鏡中的多次表面等離子共振來達到較高的偏振消光比，從而使出射光束達到非常高的偏振度，同時按照本方法工作的偏振器具有較小的插入損耗，性能與通光方向無關，即在正、反向通光時的性能相同，且具有操作簡單、便於封裝的特性。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明方法基於表面等離子共振產生單偏振的原理，通過激發在鍍有金屬膜的加長稜鏡的底面上的表面等離子共振，利用表面等離子共振只衰減雷射光束中的P波(其振動方向平行於入射面)，而對雷射光束中的S波(其振動方向垂直於入射面)則完全通過的特性，讓雷射光束在表面等離子共振角入射，在加長稜鏡內多次激發表面等離子波，較為完全地去除掉其中的P波成分，而只剩下S波成分，從而實現對雷射光束的偏振。
以下對本發明方法作進一步的說明，其步驟具體如下第一步選擇合適的材料和參數製成由加長稜鏡、底面金屬膜，以及增透膜(一)、(二)構成的結構，底面金屬膜採用濺射或蒸鍍等方法鍍在稜鏡的下底面上，入射雷射的工作波長在可見到紅外光頻範圍內選擇，底面金屬膜厚度能在所選的雷射波長下滿足最佳耦合條件，即使入射角達到某些特定值時(表面等離子共振角θ)，使P波的衰減達到最大。同時，根據這一表面等離子共振角θ，確定加長稜鏡的底角，其底角等於或接近表面等離子共振角θ，以使雷射光束垂直於稜鏡的兩個側面，從而降低插入損耗。加長稜鏡長度和高度滿足使入射雷射束在表面等離子共振角入射時，在稜鏡的下底面上發生多次(兩次或兩次以上)反射。另外，在加長稜鏡的兩個入射面上形成增透膜(一)、(二)，其材料和厚度的選擇滿足能使所選入射雷射束在正入射條件下的反射率降至最低。
第二步讓選用的入射雷射束在表面等離子共振角下入射到加長稜鏡的底面上，並激發在加長稜鏡和底面金屬膜之間界面上傳播的表面等離子波，接收出射光束，即得高偏振度的雷射光束。
本發明方法通過表面鍍有金屬膜的加長稜鏡中發生的多次表面等離子共振來提高耦合效率，反覆衰減入射雷射束中的P波；同時，入射雷射束中的S波在加長稜鏡的上、下底面上為全反射。
加長稜鏡可採用高折射率稜鏡(1.4＜n＜3.0)器件，加長稜鏡的材料可以選擇高折射率光學玻璃或晶體材料。加長稜鏡的形狀可根據實際需要確定，使入射光束在其下底面上發生多次(兩次或兩次以上)的內反射，其入射面可以選擇平面、圓柱面、球面等其它常見或特殊形狀。入射角工作在表面等離子共振角附近。
加長稜鏡入射和出射面上鍍有增透膜，以減少器件插入損耗。加長稜鏡的入射和出射面若採用平面，則使其垂直於能夠激發表面等離子共振的入射光束，即使稜鏡的底角等於表面等離子共振角。
底面金屬膜一般選用對工作波長(可見到紅外光頻)吸收較小的金屬。金屬介電常數ε＝εr+iεi與工作波長有關，且底面金屬膜的厚度應嚴格控制使等離子表面共振吸收最為強烈。金屬種類可選擇銀、金、鋁、銅等在工作波長範圍內介電常數虛部較小的金屬，一般要求其介電常數實部εr≤-8.0，介電常數虛部εi≤15.0，底面金屬膜的厚度在15nm～60nm之間。
本發明中，在加長稜鏡的底面上激發的表面等離子共振能夠非常強烈的衰減入射雷射光束中的P波，而對S波則完全通過；因為在加長稜鏡中，可以形成多次反射，多次激發衰減P波的表面等離子共振，從而可以達到很高的偏振消光比，並產生高偏振度的出射光束。同時，因為S波在稜鏡中發生的都是全反射，從而能使實現本方法的器件具有較小的插入損耗。另外，對加長稜鏡的底角的設計和入射、出射面上增透膜的設置，都能有效的降低插入損耗。
本發明用全新的思路實現了對雷射光束的高度偏振，並且具有較小的插入損耗，同現有的通過粘合稜鏡對雷射光束進行偏振的技術相比，具備以下優點(1)偏振消光比高。利用本方法，通過多次激發加長稜鏡底面上的表面等離子共振來實現對雷射光束的高度偏振，其對P波的消光比可以達到50dB以上。
(2)較小的插入損耗。利用本方法，對S波而言，由於在加長稜鏡內的各個反射面上發生的都是全反射，因而光強損失很小。同時，加長稜鏡的底角的設計使雷射光束能夠在入射和出射面上形成垂直入射，並且在這兩個面上都鍍上了增透膜，從而能夠有效的降低整個器件的插入損耗。通常可以等於或小於0.5dB。
(3)性能與通光方向無關。因為本方法的工作原理基於表面等離子共振，對光從哪個方向(正向、反向)入射無關，所以本方法在正、反向通光時的性能相同，減少了實際應用的麻煩。
(4)操作簡單、易於集成。按照本發明方法工作的偏振器件只需使雷射光束垂直於入射面進入，即可得高偏振度的出射光束，因此，操作簡單，應用方便，易於集成。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明所述的偏振方法，可以廣泛應用於光電子通信、光學傳感器、光學幹涉儀和光信息處理等多個領域，尤其是光通信器件的加工、測試等環節，利用本發明方法，能夠保證其具有高偏振消光比、低插入損耗、偏振性能與通光方向無關、操作簡單、易於集成等高技術性能。


圖1本發明偏振方法工作原理圖具體實施方式
如圖1所示，本發明方法是以由加長稜鏡1、底面金屬膜2，以及增透膜3和4構成的偏振結構為基礎的，以下結合本發明所提出的基於加長稜鏡中的表面等離子共振產生單偏振的偏振方法的三個實施例，對本發明作進一步的說明實施例1第一步加長稜鏡1材料選用高折射率加長稜鏡(ZF6，n＝1.7355)。入射雷射5波長為690.0nm，底面金屬膜2材料採用銀(690.0nm波長下ε＝-19.69+i1.24)，利用濺射方法鍍在加長稜鏡1的下底面上，厚度為46nm。加長稜鏡1的底角為36.3度，其高度約為1cm，上底面長度為2.7cm，下底面長度約為5.4cm，滿足兩次反射條件，能使雷射光束能在其下底面形成兩次反射；並在加長稜鏡1的出射和入射面上蒸鍍上一層增透膜3、4，以降低其反射損耗。
第二步使選用的入射雷射束5在確定的角度36.3度下入射到加長稜鏡1的下底面上，並激發在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間界面上傳播的表面等離子波。接收出射光束6，即得高偏振度的雷射光束。
實驗和理論計算表明，按照本發明方法工作的偏振器件對P波的消光比可以達到65dB以上，對S波的插入損耗約為0.4dB。
實施例2第一步加長稜鏡1材料選用高折射率加長稜鏡(普通光學玻璃，n＝1.5)。入射雷射5波長為560.0nm，底面金屬膜2材料採用銀(560.0nm波長下ε＝-11.89+i0.83)，利用濺射方法鍍在加長稜鏡1的下底面上，厚度為47nm。加長稜鏡1的底角為44.3度，其高度約為1.2cm，上底面長度為2.5cm，下底面長度約為4.9cm，滿足兩次反射條件，能使雷射光束能在其下底面形成兩次反射，並在加長稜鏡1的出射和入射面上蒸鍍上一層增透膜3、4，以降低其反射損耗。
第二步使選用的入射雷射束5在確定的角度44.3度下入射到加長稜鏡1的下底面上，並激發在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間界面上傳播的表面等離子波。接收出射光束6，即得高偏振度的雷射光束。
實驗和理論計算表明，按照本發明方法工作的偏振器件對P波的消光比可以達到65dB以上，對S波的插入損耗約為0.4dB。
實施例3第一步加長稜鏡1材料選用高折射率加長稜鏡(普通光學玻璃，n＝1.5)。入射雷射波長為1550.0nm，金屬膜材料採用金(1550.0nm波長下ε＝-117.34+i10.95)，利用濺射方法鍍在加長稜鏡1的下底面上，厚度為26nm。加長稜鏡1的底角為42.1度，其高度約為0.8cm，上底面長度為3.5cm，下底面長度約為5.3cm，滿足三次反射條件，使雷射光束能在其下底面形成三次反射，並在加長稜鏡1的出射和入射面上蒸鍍上一層增透膜3、4，以降低其反射損耗。
第二步使選用的入射雷射束5在確定的角度42.1度下入射到加長稜鏡1的下底面上，並激發在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間界面上傳播的表面等離子波。接收出射光束6，即得高偏振度的雷射光束。
實驗和理論計算表明，按照本發明方法工作的偏振器件對P波的消光比可以達到60dB以上，對S波的插入損耗約為0.5dB。
權利要求
1.一種產生單偏振的偏振方法，其特徵在於基於表面等離子共振產生單偏振的原理，通過激發在鍍有金屬膜(2)的加長稜鏡(1)的底面上的表面等離子共振，表面等離子共振只衰減雷射光束中的P波，而對雷射光束中的S波則完全通過，讓雷射光束在表面等離子共振角入射，完全地去除掉其中的P波成分，而只剩下S波成分，從而實現對雷射光束的偏振。
2.根據權利要求1所述的產生單偏振的偏振方法，其特徵是以下對方法所作的進一步作出限定，其步驟具體如下第一步選擇材料和參數製成由加長稜鏡(1)、底面金屬膜(2)，以及增透膜(3)、(4)構成的偏振結構，底面金屬膜(2)材料採用濺射方法鍍在加長稜鏡(1)的下底面上，入射雷射束(5)的工作波長在可見到紅外光頻範圍內選擇，底面金屬膜(2)厚度使入射角達到表面等離子共振角，根據這一表面等離子共振角，確定加長稜鏡(1)的底角，其底角等於或接近表面等離子共振角，使雷射光束垂直於加長稜鏡(1)的兩個側面，另外，在加長稜鏡(1)的兩個入射面上形成增透膜(3)、(4)，其材料和厚度滿足所選入射雷射束(5)在正入射條件下的反射率降至最低；第二步讓選用的入射雷射束(5)在表面等離子共振角下入射到加長稜鏡(1)的底面上，並激發在加長稜鏡(1)和底面金屬膜(2)之間界面上傳播的表面等離子波，接收出射光束(6)，即得高偏振度的雷射光束。
3.根據權利要求1或2所述的產生單偏振的偏振方法，其特徵是通過表面鍍有金屬膜的加長稜鏡(1)中發生的多次表面等離子共振來提高耦合效率，反覆衰減入射雷射束(5)中的P波；同時，入射雷射束(5)中的S波在加長稜鏡(1)的上、下底面上為全反射。
4.根據權利要求1或2所述的產生單偏振的偏振方法，其特徵是加長稜鏡(1)採用高折射率稜鏡器件，折射率1.4＜n＜3.0，加長稜鏡(1)的材料採用高折射率光學玻璃或晶體材料，加長稜鏡(1)長度和高度滿足入射雷射束(5)在表面等離子共振角下、在加長稜鏡(1)的底面上發生兩次或兩次以上反射，入射角(7)工作在表面等離子共振角附近。
5.根據權利要求1或2所述的產生單偏振的偏振方法，其特徵是加長稜鏡(1)入射和出射面上鍍有增透膜(3)、(4)，加長稜鏡(1)的入射和出射面若採用平面，則其垂直於激發表面等離子共振的入射雷射束(5)，即加長稜鏡(1)的底角等於表面等離子共振角。
6.根據權利要求1或2所述的產生單偏振的偏振方法，其特徵是底面金屬膜(2)選用對工作波長吸收較小的金屬，金屬介電常數ε＝εr+iεi，底面金屬膜(2)的厚度滿足等離子表面共振吸收最為強烈，底面金屬膜(2)的厚度在15nm～60nm之間。
7.根據權利要求6所述的產生單偏振的偏振方法，其特徵是金屬選擇在工作波長範圍內介電常數虛部較小的金屬，其介電常數實部εr≤-8.0，介電常數虛部εi≤15.0。
全文摘要
一種產生單偏振的偏振方法屬於光電子通信和光信息處理領域。本方法基於表面等離子共振產生單偏振的原理，通過激發在鍍有金屬膜的加長稜鏡的底面上的表面等離子共振，表面等離子共振只衰減雷射光束中的P波，而對雷射光束中的S波則完全通過，讓雷射光束在表面等離子共振角入射，完全地去除掉其中的P波成分，而只剩下S波成分，從而實現對雷射光束的偏振。本發明方法可以廣泛應用於光電子通信、光學傳感器、光學幹涉儀和光信息處理等多個領域，尤其是光通信器件的加工、測試等環節，利用本發明方法，能夠保證其具有高偏振消光比、低插入損耗、偏振性能與通光方向無關、操作簡單、易於集成等高技術性能。
文檔編號G02B5/04GK1434325SQ0311555
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月27日 優先權日2003年2月27日
發明者陳洸, 曹莊琪, 劉選斌, 李翔, 沈啟舜 申請人:上海交通大學