基于导波共振的偏振方法 【技术领域】
本发明所涉及的是一种产生偏振光的方法，特别是一种基于加长棱镜中的导波共振的高偏振消光比的偏振方法，属于光电子通信和光信息处理领域。
背景技术
近二十年来，随着激光技术特别是光通信技术的发展，光学偏振方法的研究和应用取得了长足的进步。其中，最为常见的是利用晶体中的双折射效应而采用的切割双折射棱镜法或粘合双折射棱镜法，并且该方法已经进入实用，对它的报道也较多。经文献检索，发现专利号为6,456,434B1的美国专利提出了一种利用切割双折射棱镜来实现激光光束偏振地方法。该方法中，一块方解石晶体被切割成特定形状，利用晶体中的双折射效应，使入射激光中的两个偏振分量分别沿不同的路径在棱镜中传播，但是它们的分离量非常有限。进一步的，因为这两个分量在棱镜中反射的角度不同，并结合棱镜的特殊切割形状，可以使两个分量中的一个在棱镜内反射两次，而另一个在棱镜内只反射一次，从而将两个分量较为明显的区分开来，实现光束的偏振。
除了这种方法之外，为了有效利用某些晶体中的双折射效应来制作偏振器件的方法还有粘合棱镜法。同样的，激光光束被引入一块的双折射晶体棱镜，激光中的两个偏振分量因双折射效应略微分开，但它们的分离量仍然有限。这样，为了进一步扩大它们的分离量，将另一块光轴方向与前一块不同的双折射棱镜与之粘合，这种特殊的放置方式将使两个偏振分量的分离量继续扩大，直至完全分开，实现光束的偏振。
该两种方法能对激光光束进行起偏，并达到较高的偏振度(通常，粘合棱镜的方法能达到40dB以上的偏振消光比)。和这两种方法相近，其它常用的粘合棱镜的方法还有洛匈(Rochon)棱镜、渥拉斯顿(Wollaston)棱镜、尼科耳(Nicol)棱镜以及其它的格兰类(Glan-type)棱镜等。但由于在这种粘合棱镜或切割的结构中，棱镜的加工和光轴定向非常复杂，精度要求很高，例如，通常要求棱镜的切割面要完全平行于晶体的光轴，且粘合棱镜法中，其相对的两个面之间的夹角需要加工的非常精确以保证其差值为一特定常数以满足双折射效应的最优化，两块棱镜粘合时还要注意其相对的光轴要完全正交或平行，光束入射时要完全平行或垂直与晶体的光轴。而这些要求在实际的机械加工和光学应用中通常难以完全满足，不可避免的使器件的性能有所降低。除此之外，有些棱镜的设计要求光束从棱镜的某一个面入射，而如果将光路逆转180度(这在光学应用中是常有的事)，器件的性能将与正向入射时有较大的差异。另外，两块棱镜的粘合通常使用加拿大树胶等材料，而这些材料的吸收也极大的限制了这类方法的应用范围。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于导波共振的偏振方法，通过底面镀有金属膜和介质薄膜的加长棱镜激发的导波共振来实现激光的偏振，并通过加长棱镜中激发的多次导波共振来达到较高的偏振消光比，从而使出射光束达到非常高的偏振度，同时能够选择不同偏振方向(P波或S波)的光束作为输出；按本发明方法工作的偏振器件具有较小的插入损耗，器件的性能与通光方向无关，即在正、反向通光时的性能相同，且具有操作简单、便于封装的特性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明偏振方法通过激发在底面依次镀有金属膜和介质薄膜的加长棱镜中导波共振，导波共振在导波共振角下只衰减激光光束中的S波(或P波)，而对激光光束中的P波(或S波)则完全通过，使激光光束在导波共振角入射，完全地去除掉其中的S波(或P波)成分，而只剩下P波(或S波)成分，从而实现对激光光束的高度偏振。
以下对本发明方法作进一步的说明，其具体步骤如下：
第一步：选择合适的材料和参数制成由加长棱镜、底面金属膜、介质薄膜由上至下设置，以及镀在棱镜两个侧面上的增透膜(一)、(二)构成的偏振结构，选用激光作为光源输入，可以按照所要输出的偏振成分(P波或S波)要求分别在α或β角入射，工作波长在可见到红外光频范围内选择。底面金属膜厚度、介质薄膜厚度在所选的激光波长下满足最佳耦合条件，即入射角达到某些特定值时(导波共振角α、β)，使S波或P波的衰减达到最大。同时，根据角度α、β，确定加长棱镜的底角和侧面形状，其每边侧面上的两个平面对底面的倾角等于或接近α、β，使激光光束垂直于入射和出射面，降低插入损耗。入射和出射激光束(一)、(二)、(三)和(四)分别正对棱镜两边侧面上的两个平面，即入射的激光光束分别垂直于加长棱镜侧面上的两个平面射入棱镜，而出射的激光光束分别垂直于加长棱镜另一侧的两个平面射出棱镜。加长棱镜长度和高度满足入射激光束(一)或(三)分别在导波共振角α、β下，在加长棱镜的下底面上发生多次(两次或两次以上)反射。另外，在加长棱镜的两个侧面上形成增透膜层(一)、(二)，其材料和厚度满足所选入射激光束(一)、(三)在正入射条件下的反射率降至最低。
第二步：根据所要选取的偏振方向(P波或S波)，选用入射激光(一)或(三)在确定的角度——导波共振角α或β下入射到加长棱镜的底面上，并激发在介质薄膜中传播的导波，接收出射激光束(二)或(四)，即得高偏振度(P波或S波)的激光光束。
加长棱镜与空气的全反射角并达到导波共振角时，在介质薄膜层内激发导波，形成导波共振；在这一角度下，导波共振只对光束中的某一偏振分量(S波或P波)发生作用，使其耦合到介质薄膜层中去，而反射回的激光光束在其上表面则发生全反射并再一次入射到下表面，这一过程可以多次重复从而可以多次激发导波共振，例如，在S波(其振动方向垂直于入射面)导波共振条件下，入射激光束的S波发生衰减，其能量被导入介质薄膜；而P波(其振动方向平行于入射面)则发生全反射，其能量被完全反射。如此，经过多次反射之后，出射激光之中将只剩下P波，而S波则被完全吸收，形成高偏振度的P波偏振光。而在P波导波共振条件下，入射光束的P波发生衰减，其能量被导入介质薄膜，而S波则发生全反射，其能量被完全反射。如此，经过多次反射之后，出射激光之中将只剩下S波，而P波则被完全吸收，形成高偏振度的S波偏振光。
加长棱镜可采用高折射率棱镜(1.4＜n＜3.0)器件，加长棱镜的材料可以选择高折射率光学玻璃或晶体材料，加长棱镜的形状可根据实际需要确定，使入射激光光束在其下底面上发生多次(两次或两次以上)的内反射，其入射面可以选择平面、圆柱面、球面等其它常见或特殊形状，入射角应工作在导波共振角附近。
加长棱镜的入射和出射面上镀有增透膜，以减少其插入损耗。加长棱镜的入射和出射面若采用折面，则应使其两个平面分别垂直于能够激发S波(或P波)导波共振的入射光束，即应使这两个平面对底面的倾角分别等于S波(或P波)导波共振角，即分别等于α和β。
底面金属膜一般可选用对工作波长(可见到红外光频)吸收较小的金属。金属介电常数ε＝εr+iεi与工作波长有关，且底面金属膜的厚度使导波共振吸收最为强烈。金属种类可选择银、金、铝、铜等在工作波长范围内介电常数虚部较小的金属。一般要求其介电常数实部εr≤-8.0，介电常数虚部εi≤15.0。底面金属膜的厚度在15nm～60nm之间。
介质薄膜的材料可采用光学玻璃、氧化物、晶体材料或聚合物等，要求其对工作波长下的激光无吸收，且其折射率在1.4～3.2之间。介质薄膜的厚度视实际情况而定，一般大于0.4μm，金属薄膜和介质薄膜的厚度在所选的激光波长下满足最佳耦合条件，使导波共振最为强烈。
本发明中，在加长棱镜的底面上激发的导波共振能够非常强烈的衰减入射激光光束中的S波(或P波)，而对另一种偏振的光束P波(或S波)则完全通过；因为在加长棱镜中，可以形成多次反射，多次激发衰减S波(或P波)的导波共振，从而可以达到很高的偏振消光比，并产生高度偏振的出射光束。同时，因为另一种偏振的光束P波(或S波)在加长棱镜中发生的都是全反射，从而能使其具有较小的插入损耗。另外，对加长棱镜的两个入射面对底面倾角的设计、入射、出射激光的角度和入射、出射面上增透膜的设置，都能有效的降低插入损耗。
本发明用一种全新的思路实现了对激光光束的高度偏振，同现有的通过粘合棱镜对激光光束进行偏振的技术相比，具备以下优点：
1、偏振消光比高。利用本发明，通过多次激发加长棱镜底面上的导波共振来实现对激光光束的高度偏振，其对P波的消光比可以达到30dB以上，对S波的消光比也可达到30dB以上。
2、较小的插入损耗。按照本发明方法工作的偏振器件，对入射光束中没有激发导波共振的偏振分量而言，由于在加长棱镜内的各个反射面上发生的都是全反射，因而光强损失很小。同时，加长棱镜的两边侧面对底面倾角的设计使激光光束能够在入射和出射面上形成垂直入射，并且在这两个面上都设计了增透膜，从而能够有效的降低整个器件的插入损耗，通常可以等于或小于0.8dB。
3、可以在两个偏振方向上输出高度偏振的光束。利用本发明，可以根据要求，选择输出光束的偏振方向。如果要输出P偏振的光束，则采用激光束(一)入射、激光束(二)出射；如果要输出S偏振的光束，则采用激光束(三)入射、激光束(四)出射。
4、偏振性能与通光方向无关。因为本发明的工作原理基于导波共振，对光从哪个方向(正向、反向)入射无关，所以其偏振性能在正、反向通光时相同。减少了实际应用的麻烦。
5、操作简单、易于集成。按照本发明方法工作的偏振器件只需根据需要，选择相应的入射、出射角度，则可得到所需的高偏振度的出射光束，因此，操作简单，应用方便，易于集成。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明所述的偏振方法，可以广泛应用于光电子通信、光学传感器、光学干涉仪和光信息处理等多个领域，尤其是光通信器件的加工、测试等环节，利用本发明技术，能够保证按其工作的偏振器件具有高偏振消光比、低插入损耗、两种偏振方向输出、器件性能与通光方向无关、操作简单、易于集成等高技术性能。
【附图说明】
图1本发明偏振方法工作原理图
【具体实施方式】
如图1所示，本发明方法是以加长棱镜、底面金属膜、介质薄膜以及增透膜构成的偏振结构为基础的，以下结合根据本发明所提出的基于加长棱镜中导波共振的高效光比偏振方法的三个实施例，对本发明方法作进一步的说明：
实施例1
第一步：加长棱镜1材料选用高折射率加长棱镜(ZF6，n＝1.7355)。入射激光波长为690.0nm，底面金属膜2材料采用银(690.0nm波长下ε＝-19.69+i1.24)，利用溅射方法镀在加长棱镜1的下底面上，厚度为44.5nm。介质薄膜3材料选用聚合物，其折射率为1.68，厚度为0.45μm。加长棱镜1侧面上的两个平面对底面的倾角分别为42.6度和54.2度，其高度约为1cm，上底面长度为2.3cm，下底面长度约为3.8cm，满足两次反射条件，使激光光束在其下底面形成两次反射；入射激光束6的入射角和出射激光束7的出射角都为42.6度，而入射激光束8的入射角和出射激光束9的出射角都为54.2度，即使其分别垂直于加长棱镜1两边侧面上的两个平面；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜4和5，以降低其反射损耗。选择P偏振光或S偏振光输出，分别可以选取42.6度或54.2度为入射角。
第二步：根据所选取的输出光偏振方向(P波或S波)，使选用的入射激光在确定的角度——导波共振角42.6度或54.2度下入射到加长棱镜1的底面上，并激发在介质薄膜3中传播的导波。接收出射激光光束7、9，即得高偏振度的P偏振或S偏振的激光光束。
实验和理论计算表明，若选用入射光束为6，接受出射光束7，按照本发明方法工作的偏振器件对S波的消光比可以达到33dB以上，对P波的插入损耗约为0.6dB；若选用从入射光束8，接受出射光束9，按照本发明方法工作的偏振器件对P波的消光比可以达到39dB以上，对S波的插入损耗约为0.4dB。
实施例2
第一步：加长棱镜1材料选用高折射率加长棱镜(普通光学玻璃，n＝1.5)。入射激光波长为560.0nm，底面金属膜2材料采用银(560.0nm波长下ε＝-11.89+i0.83)，利用溅射方法镀在加长棱镜1的下底面上，厚度为27.5nm。介质薄膜3材料选用聚合物，其折射率为1.68，厚度为0.9μm。加长棱镜1侧面上的两个平面对底面的倾角分别为42.85度和51.1度，其高度约为1.2cm，上底面长度为2.3cm，下底面长度约为4.5cm，满足两次反射条件，使激光光束在其下底面形成两次反射；入射激光束6的入射角和出射激光束7的出射角都为42.85度，而入射激光束8的入射角和出射激光束9的出射角都为51.1度，即使其分别垂直于加长棱镜1两边侧面上的两个平面；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜4和5，以降低其反射损耗。选择P偏振光或S偏振光输出，分别可以选取42.85度或51.1度为入射角。
第二步：根据所选取的输出光偏振方向(P波或S波)，使选用的入射激光在确定的角度——导波共振角42.85度或51.1度下入射到加长棱镜1的底面上，并激发在介质薄膜3中传播的导波。接收出射激光光束7、9，即得高偏振度的P偏振或S偏振的激光光束。
实验和理论计算表明，若选用入射光束为6，接受出射光束7，按照本发明方法工作的偏振器件对S波的消光比可以达到38dB以上，对P波的插入损耗约为0.7dB；若选用从入射光束8，接受出射光束9，按照本发明方法工作的偏振器件对P波的消光比可以达到39dB以上，对S波的插入损耗约为0.4dB。
实施例3
第一步：加长棱镜1材料选用高折射率加长棱镜(ZF6，n＝1.7355)。入射激光波长为1550.0nm，底面金属膜2材料采用金(1550.0nm波长下ε＝-117.34+i10.95)，利用溅射方法镀在加长棱镜1的下底面上，厚度为27.5nm。介质薄膜3材料选用聚合物，其折射率为1.68，厚度为0.9μm。加长棱镜1侧面上的两个平面对底面的倾角分别为37.0度和47.35度，其高度约为0.8cm，上底面长度为3.5cm，下底面长度约为5.4cm，满足三次反射条件，使激光光束在其下底面形成三次反射；入射激光束6的入射角和出射激光束7的出射角都为37.0度，而入射激光束8的入射角和出射激光束9的出射角都为47.35度，即使其分别垂直于加长棱镜1两边侧面上的两个平面；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜4和5，以降低其反射损耗。选择P偏振光或S偏振光输出，分别可以选取37.0度或47.35度为入射角。
第二步：根据所选取的输出光偏振方向(P波或S波)，使选用的入射激光在确定的角度——导波共振角37.0度或47.35度下入射到加长棱镜1的底面上，并激发在介质薄膜3中传播的导波。接收出射激光光束7、9，即得高偏振度的P偏振或S偏振的激光光束。
实验和理论计算表明，若选用入射光束为6，接受出射光束7，按照本发明方法工作的偏振器件对S波的消光比可以达到42dB以上，对P波的插入损耗约为0.8dB；若选用从入射光束8，接受出射光束9，按照本发明方法工作的偏振器件对P波的消光比可以达到54dB以上，对S波的插入损耗约为0.5dB。