专利名称：产生单偏振的偏振方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种产生单偏振的方法，特别是一种基于加长棱镜中的表面等离子共振产生单偏振的偏振方法，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的方法。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，提供一种基于表面等离子共振产生单偏振的偏振方法，使其通过底面镀有金属膜的棱镜激发的表面等离子共振来实现激光的偏振，并通过加长棱镜中的多次表面等离子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，同时按照本方法工作的偏振器具有较小的插入损耗，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，本发明方法基于表面等离子共振产生单偏振的原理，通过激发在镀有金属膜的加长棱镜的底面上的表面等离子共振，利用表面等离子共振只衰减激光光束中的P波(其振动方向平行于入射面)，而对激光光束中的S波(其振动方向垂直于入射面)则完全通过的特性，让激光光束在表面等离子共振角入射，在加长棱镜内多次激发表面等离子波，较为完全地去除掉其中的P波成分，而只剩下S波成分，从而实现对激光光束的偏振。
以下对本发明方法作进一步的说明，其步骤具体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，以及增透膜(一)、(二)构成的结构，底面金属膜采用溅射或蒸镀等方法镀在棱镜的下底面上，入射激光的工作波长在可见到红外光频范围内选择，底面金属膜厚度能在所选的激光波长下满足最佳耦合条件，即使入射角达到某些特定值时(表面等离子共振角θ)，使P波的衰减达到最大。同时，根据这一表面等离子共振角θ，确定加长棱镜的底角，其底角等于或接近表面等离子共振角θ，以使激光光束垂直于棱镜的两个侧面，从而降低插入损耗。加长棱镜长度和高度满足使入射激光束在表面等离子共振角入射时，在棱镜的下底面上发生多次(两次或两次以上)反射。另外，在加长棱镜的两个入射面上形成增透膜(一)、(二)，其材料和厚度的选择满足能使所选入射激光束在正入射条件下的反射率降至最低。
第二步让选用的入射激光束在表面等离子共振角下入射到加长棱镜的底面上，并激发在加长棱镜和底面金属膜之间界面上传播的表面等离子波，接收出射光束，即得高偏振度的激光光束。
本发明方法通过表面镀有金属膜的加长棱镜中发生的多次表面等离子共振来提高耦合效率，反复衰减入射激光束中的P波；同时，入射激光束中的S波在加长棱镜的上、下底面上为全反射。
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。入射角工作在表面等离子共振角附近。
加长棱镜入射和出射面上镀有增透膜，以减少器件插入损耗。加长棱镜的入射和出射面若采用平面，则使其垂直于能够激发表面等离子共振的入射光束，即使棱镜的底角等于表面等离子共振角。
底面金属膜一般选用对工作波长(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应严格控制使等离子表面共振吸收最为强烈。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。
本发明中，在加长棱镜的底面上激发的表面等离子共振能够非常强烈的衰减入射激光光束中的P波，而对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P波的表面等离子共振，从而可以达到很高的偏振消光比，并产生高偏振度的出射光束。同时，因为S波在棱镜中发生的都是全反射，从而能使实现本方法的器件具有较小的插入损耗。另外，对加长棱镜的底角的设计和入射、出射面上增透膜的设置，都能有效的降低插入损耗。
本发明用全新的思路实现了对激光光束的高度偏振，并且具有较小的插入损耗，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。利用本方法，通过多次激发加长棱镜底面上的表面等离子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50dB以上。
(2)较小的插入损耗。利用本方法，对S波而言，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，加长棱镜的底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镀上了增透膜，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0.5dB。
(3)性能与通光方向无关。因为本方法的工作原理基于表面等离子共振，对光从哪个方向(正向、反向)入射无关，所以本方法在正、反向通光时的性能相同，减少了实际应用的麻烦。
(4)操作简单、易于集成。按照本发明方法工作的偏振器件只需使激光光束垂直于入射面进入，即可得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，利用本发明方法，能够保证其具有高偏振消光比、低插入损耗、偏振性能与通光方向无关、操作简单、易于集成等高技术性能。
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，本发明方法是以由加长棱镜1、底面金属膜2，以及增透膜3和4构成的偏振结构为基础的，以下结合本发明所提出的基于加长棱镜中的表面等离子共振产生单偏振的偏振方法的三个实施例，对本发明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5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46nm。加长棱镜1的底角为36.3度，其高度约为1cm，上底面长度为2.7cm，下底面长度约为5.4cm，满足两次反射条件，能使激光光束能在其下底面形成两次反射；并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜3、4，以降低其反射损耗。
第二步使选用的入射激光束5在确定的角度36.3度下入射到加长棱镜1的下底面上，并激发在加长棱镜1和底面金属膜2之间界面上传播的表面等离子波。接收出射光束6，即得高偏振度的激光光束。
实验和理论计算表明，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65dB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5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47nm。加长棱镜1的底角为44.3度，其高度约为1.2cm，上底面长度为2.5cm，下底面长度约为4.9cm，满足两次反射条件，能使激光光束能在其下底面形成两次反射，并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜3、4，以降低其反射损耗。
第二步使选用的入射激光束5在确定的角度44.3度下入射到加长棱镜1的下底面上，并激发在加长棱镜1和底面金属膜2之间界面上传播的表面等离子波。接收出射光束6，即得高偏振度的激光光束。
实验和理论计算表明，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65dB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(普通光学玻璃，n＝1.5)。入射激光波长为1550.0nm，金属膜材料采用金(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26nm。加长棱镜1的底角为42.1度，其高度约为0.8cm，上底面长度为3.5cm，下底面长度约为5.3cm，满足三次反射条件，使激光光束能在其下底面形成三次反射，并在加长棱镜1的出射和入射面上蒸镀上一层增透膜3、4，以降低其反射损耗。
第二步使选用的入射激光束5在确定的角度42.1度下入射到加长棱镜1的下底面上，并激发在加长棱镜1和底面金属膜2之间界面上传播的表面等离子波。接收出射光束6，即得高偏振度的激光光束。
实验和理论计算表明，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60dB以上，对S波的插入损耗约为0.5dB。
权利要求
1.一种产生单偏振的偏振方法，其特征在于基于表面等离子共振产生单偏振的原理，通过激发在镀有金属膜(2)的加长棱镜(1)的底面上的表面等离子共振，表面等离子共振只衰减激光光束中的P波，而对激光光束中的S波则完全通过，让激光光束在表面等离子共振角入射，完全地去除掉其中的P波成分，而只剩下S波成分，从而实现对激光光束的偏振。
2.根据权利要求1所述的产生单偏振的偏振方法，其特征是以下对方法所作的进一步作出限定，其步骤具体如下第一步选择材料和参数制成由加长棱镜(1)、底面金属膜(2)，以及增透膜(3)、(4)构成的偏振结构，底面金属膜(2)材料采用溅射方法镀在加长棱镜(1)的下底面上，入射激光束(5)的工作波长在可见到红外光频范围内选择，底面金属膜(2)厚度使入射角达到表面等离子共振角，根据这一表面等离子共振角，确定加长棱镜(1)的底角，其底角等于或接近表面等离子共振角，使激光光束垂直于加长棱镜(1)的两个侧面，另外，在加长棱镜(1)的两个入射面上形成增透膜(3)、(4)，其材料和厚度满足所选入射激光束(5)在正入射条件下的反射率降至最低；第二步让选用的入射激光束(5)在表面等离子共振角下入射到加长棱镜(1)的底面上，并激发在加长棱镜(1)和底面金属膜(2)之间界面上传播的表面等离子波，接收出射光束(6)，即得高偏振度的激光光束。
3.根据权利要求1或2所述的产生单偏振的偏振方法，其特征是通过表面镀有金属膜的加长棱镜(1)中发生的多次表面等离子共振来提高耦合效率，反复衰减入射激光束(5)中的P波；同时，入射激光束(5)中的S波在加长棱镜(1)的上、下底面上为全反射。
4.根据权利要求1或2所述的产生单偏振的偏振方法，其特征是加长棱镜(1)采用高折射率棱镜器件，折射率1.4＜n＜3.0，加长棱镜(1)的材料采用高折射率光学玻璃或晶体材料，加长棱镜(1)长度和高度满足入射激光束(5)在表面等离子共振角下、在加长棱镜(1)的底面上发生两次或两次以上反射，入射角(7)工作在表面等离子共振角附近。
5.根据权利要求1或2所述的产生单偏振的偏振方法，其特征是加长棱镜(1)入射和出射面上镀有增透膜(3)、(4)，加长棱镜(1)的入射和出射面若采用平面，则其垂直于激发表面等离子共振的入射激光束(5)，即加长棱镜(1)的底角等于表面等离子共振角。
6.根据权利要求1或2所述的产生单偏振的偏振方法，其特征是底面金属膜(2)选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数ε＝εr+iεi，底面金属膜(2)的厚度满足等离子表面共振吸收最为强烈，底面金属膜(2)的厚度在15nm～60nm之间。
7.根据权利要求6所述的产生单偏振的偏振方法，其特征是金属选择在工作波长范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部εr≤-8.0，介电常数虚部εi≤15.0。
全文摘要
一种产生单偏振的偏振方法属于光电子通信和光信息处理领域。本方法基于表面等离子共振产生单偏振的原理，通过激发在镀有金属膜的加长棱镜的底面上的表面等离子共振，表面等离子共振只衰减激光光束中的P波，而对激光光束中的S波则完全通过，让激光光束在表面等离子共振角入射，完全地去除掉其中的P波成分，而只剩下S波成分，从而实现对激光光束的偏振。本发明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，利用本发明方法，能够保证其具有高偏振消光比、低插入损耗、偏振性能与通光方向无关、操作简单、易于集成等高技术性能。
文档编号G02B5/04GK1434325SQ0311555
公开日2003年8月6日 申请日期2003年2月27日 优先权日2003年2月27日
发明者陈洸, 曹庄琪, 刘选斌, 李翔, 沈启舜 申请人:上海交通大学