產生單偏振的偏振器的製作方法

2023-05-08 23:40:26 1

專利名稱：產生單偏振的偏振器的製作方法
技術領域：
本發明所涉及的是一種產生單偏振的偏振器，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器，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，光學偏振器件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粘合雙折射稜鏡法製作的偏振器件，並且該類器件在實踐中廣為使用，對它的報導也較多。經文獻檢索，發現專利號為5,440,424的美國專利提出了一種利用粘合雙折射稜鏡來製作的偏振器件。該器件中，共粘合了七塊雙折射稜鏡以實現其功能。首先，因為雙折射效應的作用，第一塊稜鏡對入射雷射光束的兩種偏振分量的折射率不同，從而使它們在稜鏡內的傳播方向互相分離。後續的雙折射稜鏡的作用各不相同。第二快稜鏡將兩種偏振分量的分離量擴大到一定程度；第三塊稜鏡使這兩個偏振分量產生半個波長的相差，從而使兩個分量的偏振方向變得一樣；接下來的四塊稜鏡以特定的方式組合，實現將這兩個分量重新耦合到一起，變成一束單偏振的雷射光束射出稜鏡，實現了雷射的偏振。
該器件能對雷射光束進行起偏，並達到較高的偏振度(通常，這種器件能達到40dB以上的偏振消光比)。和這種器件相近，其它更為常用也更為簡單的粘合稜鏡的偏振器件還有洛匈(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器件的應用範圍。

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器，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，同時本發明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，本發明偏振器由加長稜鏡、底面金屬膜，以及增透膜(一)、(二)構成，加長稜鏡設置在底面金屬膜上，增透膜(一)、(二)鍍在加長稜鏡兩個側面上，加長稜鏡和底面金屬膜形成衰減全反射結構。導入導出光纖接頭(一)和(二)將雷射束導入或導出偏振器，並且，光纖接頭(一)、(二)相對於加長稜鏡對稱，其入射角為θ，且垂直於加長稜鏡的兩個入射面，由此加長稜鏡、底面金屬膜和介質薄膜形成衰減全反射結構，從光纖接頭(一)入射的雷射束所激發的表面等離子波就在加長稜鏡和底面金屬膜之間的界面上傳播。
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。入射角應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，則應使其垂直於能夠激發表面等離子共振的入射光束，即應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。
光纖接頭可採用各種標準或特殊光纖接頭，放置時使其正對稜鏡兩邊側面上的兩個平面，即從光纖接頭出射的雷射光束能夠垂直於入射面射入稜鏡。
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(其振動方向平行於入射面)，而對S波(其振動方向垂直於入射面)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波在器件中發生的都是全反射，從而能使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、光纖接頭的放置和入射、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。利用本發明裝置，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)器件性能與通光方向無關。因為本器件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，所以器件在正、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。本發明所述的偏振器件只需使雷射從相應的光纖接頭輸入、輸出，則可得到所需的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，本發明所述的偏振器，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，利用本發明技術，能夠保證其具有高偏振消光比，低插入損耗，器件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本發明偏振器結構示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發明偏振器由加長稜鏡1、底面金屬膜2，以及增透膜3和4構成，加長稜鏡1設置在底面金屬膜2上，增透膜3、4鍍在加長稜鏡1的兩個側面上；導入導出光纖接頭5和6將雷射束導入或導出偏振器，並且，光纖接頭5、6相對於加長稜鏡1對稱，其入射角為θ，且垂直於加長稜鏡1的兩個側面，由此，加長稜鏡1和底面金屬膜2形成衰減全反射結構，從光纖接頭5入射的雷射束所激發的表面等離子波就在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間的界面上傳播。
加長稜鏡1可採用高折射率稜鏡(1.4＜n＜3.0)器件，稜鏡的材料選擇高折射率光學玻璃或晶體材料，加長稜鏡1的長度和高度滿足使入射雷射束5在表面等離子共振角下，在加長稜鏡內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。
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7。
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與工作波長有關，且底面金屬膜2的厚度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，底面金屬膜2的厚度在15nm～60nm之間。
以下結合本發明所提出的基於加長稜鏡中表面等離子共振的高效光比偏振器的三個實施例，對本發明作進一步的說明實施例1本發明偏振器由加長稜鏡1、底面金屬膜2，以及增透膜3和4構成，加長稜鏡1設置在底面金屬膜2上，增透膜3、4鍍在加長稜鏡1的兩個側面上，導入導出光纖接頭5和6分別將雷射束導入或導出偏振器，並且，光纖接頭5、6相對於加長稜鏡1對稱，其對加長稜鏡底面的傾角為53.7度，垂直於加長稜鏡1的兩個側面，由此，加長稜鏡1和底面金屬膜2形成衰減全反射結構，從光纖接頭5入射的雷射束所激發的表面等離子波就在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間的界面上傳播。
加長稜鏡1材料選用高折射率加長稜鏡(ZF6，n＝1.7355)，其底角為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，降低其反射損耗。入射角7工作在表面等離子共振角附近，也即36.3度。
雷射從光纖接頭5入射，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。接收從光纖接頭6出射的雷射，即可得高偏振度的雷射光束。
實驗和理論計算表明，本發明偏振器件對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本發明偏振器由加長稜鏡1、底面金屬膜2，以及增透膜3和4構成，加長稜鏡1設置在底面金屬膜2上，增透膜3、4鍍在加長稜鏡1的兩個側面上，導入導出光纖接頭5和6分別將雷射束導入或導出偏振器，並且，光纖接頭5、6相對於加長稜鏡1對稱，其對加長稜鏡底面的傾角為45.7度，垂直於加長稜鏡1的兩個側面，由此，加長稜鏡1和底面金屬膜2形成衰減全反射結構，從光纖接頭5入射的雷射束所激發的表面等離子波就在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間的界面上傳播。
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)，其底角為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。入射角7工作在表面等離子共振角附近，也即44.3度。
雷射從光纖接頭5入射，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。接收從光纖接頭6出射的雷射，即可得高偏振度的雷射光束。
實驗和理論計算表明，本發明偏振器對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本發明偏振器由加長稜鏡1、底面金屬膜2，以及增透膜3和4構成，加長稜鏡1設置在底面金屬膜2上，增透膜3、4鍍在加長稜鏡1的兩個側面上，導入導出光纖接頭5和6分別將雷射束導入或導出偏振器，並且，光纖接頭5、6相對於加長稜鏡1對稱，其對加長稜鏡底面的傾角為47.9度，垂直於加長稜鏡1的兩個側面，由此，加長稜鏡1和底面金屬膜2形成衰減全反射結構，從光纖接頭5入射的雷射束所激發的表面等離子波就在加長稜鏡1和底面金屬膜2之間的界面上傳播。
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)，其底角為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。入射角7工作在表面等離子共振角附近，也即42.1度。
雷射從光纖接頭5入射，波長為1550.0nm；底面金屬膜2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。接收從光纖接頭6出射的雷射，即可得高偏振度的雷射光束。
實驗和理論計算表明，本發明偏振器對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器，其特徵在於由加長稜鏡(1)、底面金屬膜(2)，以及增透膜(3)和(4)構成，加長稜鏡(1)設置在底面金屬膜(2)上，增透膜(3)、(4)鍍在加長稜鏡(1)兩個側面上，加長稜鏡(1)和底面金屬膜(2)形成衰減全反射結構，激發的表面等離子波就在加長稜鏡(1)和底面金屬膜(2)之間的界面上傳播。
2.根據權利要求1所述的產生單偏振的偏陣器，其特徵是導入導出光纖接頭(5)和(6)將雷射束導入或導出偏振器，其中，光纖接頭(5)、(6)相對於加長稜鏡(1)對稱，其入射角為θ，且垂直於加長稜鏡(1)的兩個側面，由此加長稜鏡(1)和底面金屬膜(2)形成衰減全反射結構，從光纖接頭(5)入射的雷射束所激發的表面等離子波就在加長稜鏡(1)和底面金屬膜(2)之間的界面上傳播。
3.根據權利要求1所述的產生單偏振的偏振器，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。
4.根據權利要求1或3所述的產生單偏振的偏振器，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。
5.根據權利要求1所述的產生單偏振的偏振器，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。
6.根據權利要求5所述的產生單偏振的偏振器，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
產生單偏振的偏振器屬於光電子通信和光信息處理領域。偏振器由加長稜鏡、底面金屬膜以及增透膜構成，加長稜鏡設置在底面金屬膜上，增透膜鍍在加長稜鏡兩個側面上，加長稜鏡和底面金屬膜形成衰減全反射結構，激發的表面等離子波就在加長稜鏡和底面金屬膜之間的界面上傳播。表面等離子共振只衰減雷射光束中的P波，對雷射光束中的S波則完全通過。本發明方法讓雷射光束從光纖接頭導入，在表面等離子共振角入射，通過多次激發在鍍有金屬膜的加長稜鏡底面上的表面等離子共振，完全地去除掉P波成分，只剩下S波成分，實現對雷射光束的偏振。本發明偏振器偏振消光比高、低插入損耗、器件性能與通光方向無關、操作簡單、易於集成。
文檔編號G02B5/30GK1434307SQ03115558
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