专利名称：基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光束扫描，是一种基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器，主要应用于空间中的光束快速扫描。
背景技术：
在激光光电子的许多应用中，需要光束在空间扫描。传统的方法是采用一个转镜或振镜。这种采用机械运动的方法所获得的扫描速度和精度比较低。为了提高扫描速度，减小器件的体积重量，适应空间应用的需要，人们正在对光学相控阵技术进行深入的研究。光学相控阵是一种使光束波面的光相位产生周期性的调制的光学。其基本原理如图1所示。当相位调制器列阵1的各个单元获得一个在空间上线性分布的随时间变化的相位时，将使光束波面在空间发生偏转，产生光束扫描的效果。在这一技术中，没有机械运动部件，因此可以获得很高的扫描速度。光学相控阵技术的关键是一个相位调制器列阵。人们已经利用不同的材料和技术，演示了光学相控阵的性能。
在先技术之一(P.F.Mcmanamon，et.al.Proceedings of the IEEE，1996，Vol.84，No.2，pp268-298)采用液晶制作相位调制器列阵。它具有驱动电压低、列阵周期小(光束扫描角度大)等优点，但是调制速度低、热稳定性差、工作波长范围受限制。在先技术之二(E.Shekel，et.al.，LEOS 2002，paper WA2)采用AlGaAs半导体异质结材料作波导型相位调制器列阵，该结构具有调制速度高，列阵周期小等优点，但是光束耦合效率低，列阵尺寸规模小，光功率受限制，工作波长范围小。在先技术之三(R.A.Meyer，APPLIED OPTICS，1972，Vol.11，No.3，pp613-616)采用电光晶体做相位调制器，它具有调制速度快等优点，但存在工作电压高、材料成本高等缺点。针对晶体材料价格高，体积小的问题。人们已经和正在开发具有电光效应的透明陶瓷材料。其中掺镧锆钛酸铅(掺镧锆钛酸铅)是一种倍受重视的材料。在先技术之四(J.A.Thomas et.al.OPTICS LETTERS，1995，Vol.20，No.13，pp1510-1512)利用掺镧锆钛酸铅材料的横向电光效应制作相位调制器列阵1，其结构如图2所示。由于利用横向电光效应，在光路上具有相位调制作用的距离很短，因此要求的工作电压很高。同时，由于采用了叉指电极的结构，列阵的每一个单元的尺寸比较大，因此光束偏转的角度比较小。在先技术之五(Q.W.Song et.al.，APPLIED OPTICS，1996，Vol.35，No.17，pp 3155-3162)采用掺镧锆钛酸铅材料的纵向电光效应制作相位调制器列阵1，其结构如图3所示。该结构用透明电极施加电压，在光路上的材料都具有电光效应。但是，在该结构中，电极的尺寸与光路的长短也存在矛盾，即增大光路长度时，必须增大电极线度，否则列阵单元之间的串扰会产生不利影响。因此列阵单元的尺寸不能降下来，以致光束偏转的角度也比较小。在先技术之六(董作人，方祖捷，瞿荣辉，刘峰，叶青，秦世博，电光波导光学相位调制器阵列，实用新型专利，专利号ZL200520041530.7)，提出的方案利用波导结构形式来设计电光波导光学相位调制器，以降低系统中的扫描电压。但是，和采用掺镧锆钛酸铅的先技术四、五一样，都需要针对不同的阵列调相单元引入不同驱动电压来形成不同线性相位面的组合，从而实现光束的扫描，这大大增加了系统结构的复杂性。
发明内容
针对上述在先技术的问题，本发明提出一种基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器，以简化光束扫描器的电压驱动器的结构，增强光束扫描器的实用性。
本发明的技术解决方案如下一种基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器，包括一片状掺镧锆钛酸铅，其特征是在该掺镧锆钛酸铅的下表面设导电的下电极，该下电极直接与电压驱动器的负极相连；在该掺镧锆钛酸铅的上表面形成多条条形电极组成的调相阵列电极，该调相阵列电极中各相邻的条形电极具有相同的宽度和间隔，而所述的条形电极的长度依次等差递减或等差递增；这些条形电极通过引线相互连接后与所述的电压驱动器的正极相连，所述的电压驱动器与电脑相连。
所述的掺镧锆钛酸铅为块体材料，或波导结构的薄膜材料。
所述的调相阵列电极为梯形阵列电极、或多个梯形阵列电极的级联。
根据上述的器件结构，本发明调相阵列电极的条形电极间不再需要逐一的施加不同的电压来形成出射光束的线性相位面。它可以对不同的条形电极施加相同的单一电压，然后通过控制电极长度的线性变化来形成线性变化的光程，从而获得出射光束线性变化的相位面。
从文献(J.A.Thomas，Optical phase array beam Deflection using Lead LanthanumZirconate Titanate，Doctoral Dissertation，2001)可以知道，相控阵光束扫描器的偏转角θ可以表示为 式中 是相邻条形电极之间的相位差，λ是入射光束的波长，d是调相单元的周期，k是波矢量，Δl是相邻调相单元的电极长度差，n0是材料的折射率，R12是电光系数，V和t分别是应用的电压和样品材料的厚度。
由上述公式可知，Δθ∝Δl，由于本发明所述的调相阵列电极的各条形电极具有相同的宽度和间隔，但其长度依次等差递减或递增，即各相邻的条形电极具有相同的长度差，因此由各条形电极的出射光束组成的相位面会形成一个线性的分布，而不再需要通过逐一调整各个调相单元的电压来形成出射光束的线性相位面，在结构上大大的简化了系统的复杂性。
因此，本发明具有如下的优点1、在光学相控阵调相的光束扫描器中，一个重要的技术难题就是外加电极引线的数目。通常单极的相控阵N个调相单元需要拥有N个外接的驱动电压，可见这种扫描器的复杂性。而本发明只需要在所有的调相单元引入一个驱动电压，并对驱动电压进行扫描即可以实现光束的扫描，这大大的简化整个扫描器的驱动系统。
2、本发明的电极结构既可采用体块的掺镧锆钛酸铅陶瓷材料，也可采用薄膜掺镧锆钛酸铅材料；既可以用于单极的相控阵扫描器，也可用于多级级联的光学相控阵扫描器。
3、采用掺镧锆钛酸铅的电光双折射效应，与液晶和半导体材料相比，具有稳定性好、调制速度快、工作波长范围大等优点。
图1是光学相控阵的基本原理；图2是采用横向电光效应结构的示意图；图3是采用纵向电光效应结构的示意图；图4是本发明实施例一的结构示意图；图5是本发明实施例二的结构示意图；图6是本发明实施例三的结构示意图；具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图4，图4是本发明实施例一的结构示意图，由图可见，本发明基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器，包括一片状掺镧锆钛酸铅1，其特征是在该掺镧锆钛酸铅1的下表面设导电的下电极2，该下电极2直接与电压驱动器4的负极或地相连；在该掺镧锆钛酸铅1的上表面形成多条条形电极组成的调相阵列电极3，该调相阵列电极3中各相邻的条形电极具有相同的宽度和间隔，而所述的条形电极的长度依次等差递减或等差递增；这些条形电极通过引线相互连接后与所述的电压驱动器4的正极相连，所述的电压驱动器4的控制极与电脑5相连。本实施例的调相阵列电极3是直角梯形的等差电极结构。图中1为所使用的掺镧锆钛酸铅电光材料，它可以是体块电光陶瓷材料，也可以是波导结构的薄膜材料。2为在掺镧锆钛酸铅电光材料1上溅射或者是蒸镀的下电极2，它覆盖1的整个下表面，然后通过引线与地相连。电脑5控制电压驱动器4进行电压扫描。6为入射光束；7为出射光束。
图5是本发明实施例二的结构示意图，实施例二和实施例一的区别在于所述的调相阵列电极3是梯形等差电极结构，相邻的条形电极间依然具有相等的长度差。
图6是本发明实施例三的结构示意图，实施例三与实施例一的区别是所述的调相阵列电极3是由在掺镧锆钛酸铅1上表面形成的两个直角梯形阵列电极的级联构成等差电极的级联相控阵阵列结构，然后可以通过电压驱动器4和电脑5分别控制每一个子调相阵列来进行光束的扫描。
经试用表明本发明大大简化了扫描器的驱动系统，而且具有稳定性好、调制速度快、工作波长范围大等优点。
权利要求
1.一种基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器，包括一片掺镧锆钛酸铅(1)，其特征是在该掺镧锆钛酸铅(1)的下表面设导电的下电极(2)，该下电极(2)直接与电压驱动器(4)的负极相连；在该掺镧锆钛酸铅(1)的上表面形成多条条形电极组成的调相阵列电极(3)，该调相阵列电极(3)中各相邻的条形电极具有相同的宽度和间隔，而所述的条形电极的长度依次等差递减或等差递增；这些条形电极通过引线相互连接后与所述的电压驱动器(4)的正极相连，所述的电压驱动器(4)的控制极与电脑(5)相连。
2.根据权利要求1所述的光学相控阵光束扫描器，其特征在于所述的掺镧锆钛酸铅为块体材料，或波导结构的薄膜材料。
3.根据权利要求1所述的光学相控阵光束扫描器，其特征在于所述的调相阵列电极(3)为梯形阵列电极、多个梯形阵列电极的级联。
全文摘要
一种基于掺镧锆钛酸铅的光学相控阵光束扫描器，包括一片状掺镧锆钛酸铅，其特点是在该掺镧锆钛酸铅的下表面设导电的下电极，该下电极直接与电压驱动器的负极相连或接地；在该掺镧锆钛酸铅的上表面形成多条条形电极组成的调相阵列电极，该调相阵列电极中各相邻的条形电极具有相同的宽度和间隔，而所述的条形电极的长度依次等差递减或等差递增；这些条形电极通过引线相互连接后与所述的电压驱动器的正极相连，所述的电压驱动器的控制极与电脑相连。本发明大大简化了光束扫描器的驱动系统，而且具有稳定性好、调制速度快、工作波长范围大等优点。
文档编号H05B33/26GK101080122SQ20071004158
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月1日 优先权日2007年6月1日
发明者叶青, 董作人, 瞿荣辉, 方祖捷 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所