基于铌酸锂晶体温控的激光偏转调制方法与流程

本发明属于偏转器件的设计与制备研究领域，具体利用铌酸锂晶体材料的热效应实现激光光束的连续非机械偏转调制。

背景技术：

目前来说，光束偏转技术的研究工作主要集中在基于机械的光束偏转、基于声光效应的光束偏转、基于液晶的光束偏转以及基于电光材料的光束偏转等方面。

传统的光学偏转技术是基于机械式光学振镜开发而成的。振镜是一种优良的矢量扫描器件，它是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能像普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比。这种偏转技术虽然是目前比较成熟的光学偏转技术，但由于其采用机械式的偏转方法，其响应速度、偏转精度、回程误差等必然要受到限制。

声光光束偏转技术是基于声光效应一种光偏转技术。当超声波在介质中传输时，会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，并且应变随时间和空间作周期性变化，使介质折射率出现疏密相间的分布现象，从而形成一个相位光栅。此时在介质中传播的光波即会发生衍射现象。衍射现象会随着超声波场的变化而变化，从而实现光束偏转。声光扫描也具有易集成的优点，但其偏转范围有限，衍射效率较低，还会受到很多声学因素的影响。

液晶光束偏转技术基于液晶相控阵的一种光偏转技术。该技术利用阵列单元中的液晶分子的电控双折射效应制作而成。当对液晶施加电场时，液晶分子的排列方向发生变化，这种排列变化会引起液晶光轴的转动，从而导致了液晶折射率的变化，最终使得入射到液晶中的光束传播方向发生偏转。液晶相控阵器件能够实现高精度、非机械的光束扫描，但其存在光学回程区，且工艺复杂，加工困难。

电光偏转技术是基于电光效应的一种光偏转技术。该技术利用外电场对电光材料的折射率进行调制制作而成。在外加电场作用下，电光材料通过线性或二次电光效应，其折射率随外加电场呈一次或二次变化，这时入射光照射到电光材料上其传播方向会发生相应的改变，从而实现光学偏转。和目前广泛应用的机械振镜偏转、声光偏转以及液晶等技术相比，电光偏转技术由于是利用在电光材料上施加外电场实现偏转，因而可以实现激光的非机械、无惯性偏转，在响应速度和灵敏性等方面优势显著。目前较为典型的电光材料为铌酸锂晶体(linbo3)、锆钛酸铅镧陶瓷(plzt)、gaas等，这些材料的响应时间都较短(纳秒量级)，但由于他们的电光系数较小，因此他们的尺度和外加电压的要求都较高，难以实际应用。

技术实现要素：

根据上述不足，本发明提供一种体积小，成本低，加工简单、能在一维和二维空间内进行偏转，且可根据实际需要控制偏转光束的光强分布的基于铌酸锂晶体温控的激光偏转调制方法。

本发明的基于铌酸锂晶体温控的激光偏转调制方法，所述方法基于偏转光路实现，偏转光路包括1号半波片、傅里叶透镜和偏转元件，偏转元件包括铌酸锂晶体、金属纳米薄膜和两个金属电极；

铌酸锂晶体为长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中y轴为铌酸锂晶体的长度方向，x轴为铌酸锂晶体的光轴方向，z轴为通光方向；

金属纳米薄膜设置在铌酸锂晶体的一个晶面上，该晶面位于yoz平面，两个金属电极分别在金属纳米薄膜z轴方向的两端；

激光光束依次通过1号半波片和傅里叶透镜后，沿z轴方向入射至1号铌酸锂晶体；

所述激光偏转调制方法包括如下步骤：

步骤一：激光光束入射至偏转光路；

步骤二：在偏转元件的两个金属电极上施加直流电压，使铌酸锂晶体产生的温度梯度场；

步骤三：逐渐增加施加的直流电压，使激光光束在温度梯度场方向发生横向偏转，直至获得需要调制的偏转角，停止增加直流电压的大小。

优选的是，所述方法还包括：

步骤四：在保证施加的直流电压不变的情况下，沿着x轴方向或y轴方向，单一方向移动铌酸锂晶体的位置，每移动设定距离，重复一次步骤一至步骤三，获得偏转角度，记录数据：获得的偏转角度和铌酸锂晶体内的光路位置，根据记录的数据，判断铌酸锂晶体内温度梯度场的分布情况。

本发明还提供一种基于铌酸锂晶体温控的激光偏转调制方法，所述方法基于一维偏转光路实现，所述一维偏转光路包括1号半波片、傅里叶透镜、两个偏转元件和2号半波片；每个偏转元件包括铌酸锂晶体、1号金属纳米薄膜和两个金属电极；

铌酸锂晶体为长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中y轴为铌酸锂晶体的长度方向，x轴为铌酸锂晶体的光轴方向，z轴为通光方向；

金属纳米薄膜设置在铌酸锂晶体的一个晶面上，该晶面位于yoz平面，两个金属电极分别在金属纳米薄膜z轴方向的两端；

激光光束依次通过1号半波片1和傅里叶透镜后，沿1号偏转元件的z轴方向入射至该铌酸锂晶体；该铌酸锂晶体出射的激光光束入射至2号半波片，2号半波片出射的激光光束沿2号偏转元件的z轴方向入射至该铌酸锂晶体，且1号偏转元件的金属纳米薄膜与2号偏转元件的金属纳米薄膜平行设置；

所述激光偏转调制方法包括如下步骤：

步骤一：将激光光束入射至一维偏转光路；

步骤二：分别在两个偏转元件的对应的金属电极上施加直流电压，使两个偏转元件的铌酸锂晶体产生的温度梯度场；

步骤三：逐渐增加施加的直流电压，使激光光束在温度梯度场方向发生横向偏转，直至获得需要调制的偏转角，停止增加直流电压的大小。

本发明还提供一种基于铌酸锂晶体温控的激光偏转调制方法，所述方法基于二维偏转光路实现，所述二维偏转光路包括1号半波片、傅里叶透镜、两个偏转元件和2号半波片；每个偏转元件包括铌酸锂晶体、1号金属纳米薄膜和两个金属电极；

铌酸锂晶体为长方体块体，建立xyz直角坐标系，其中y轴为铌酸锂晶体的长度方向，x轴为铌酸锂晶体的光轴方向，z轴为通光方向；

金属纳米薄膜设置在铌酸锂晶体的一个晶面上，该晶面位于yoz平面，两个金属电极分别在金属纳米薄膜z轴方向的两端；

激光光束依次通过1号半波片和傅里叶透镜后，沿1号偏转元件的z轴方向入射至该铌酸锂晶体；该铌酸锂晶体出射的激光光束入射至2号半波片，2号半波片出射的激光光束沿2号偏转元件的z轴方向入射至该铌酸锂晶体，且1号偏转元件的金属纳米薄膜与2号偏转元件的金属纳米薄膜平垂直设置；

所述激光偏转调制方法包括如下步骤：

步骤一：将激光光束入射至二维偏转光路；

步骤二：分别在两个偏转元件的对应的金属电极上施加直流电压，使两个偏转元件的铌酸锂晶体产生的温度梯度场；

步骤三：逐渐增加施加的直流电压，使激光光束在温度梯度场方向发生横向偏转，直至获得需要调制的偏转角，停止增加直流电压的大小。

优选的是，所述偏转元件还包括2号金属纳米薄膜，该2号金属纳米薄膜设置在铌酸锂晶体的一个晶面上，该晶面与1号金属纳米薄膜所处晶面相对。

优选的是，所述步骤二中施加的直流电压的最大值由金属电极的电阻决定。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，与其他偏转方法相比，偏转模式和偏转效应的物理机制都有显著不同，本发明是一种全新的激光偏转模式：通过利用铌酸锂晶体的热效应产生的温场实现激光光束偏转的方法，实现了激光光束沿着温场方向偏转的横向偏转，减小了温度对光束偏转影响，为晶体偏转器实现横向偏转提供了另一种可能。同时本发明偏转效应不依赖于电极材料的种类，样品制作简单，非常有利于器件设计，且偏转效率较优良。采用本发明方法制作的光学扫描系统具有体积小、成本低、加工简单、响应速度快的优点，这些优点使得其应用领域非常广阔。本发明能在一维和二维空间内进行偏转，可根据实际需要控制偏转光束的光强分布。

附图说明

图1为实施例1的原理示意图。

图2为实施例1中铌酸锂晶体出射的一个光束在不同位置下的偏转角度图。

图3为实施例2中铌酸锂晶体出射的两个光束在不同位置下的偏转角度图。

图4为实施例2中铌酸锂晶体出射的两光束在不同电压下的偏转角度实验结果。其中(a)至(f)表示施加的直流电压逐渐增大。

图5为实施例3中铌酸锂晶体出射的两个光束在不同位置下的偏转角度图。

图6为实施例4的原理图。

图7为实施例4获得的一维偏转的实验结果图。

图8为实施例5的原理图。

图9为实施例5获得的二维偏转的实验结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1：本实施例为一种基于铌酸锂晶体温控的激光偏转调制方法，所述方法基于偏转光路实现，如图1所示，偏转光路包括1号半波片1、傅里叶透镜2和偏转元件，偏转元件包括铌酸锂晶体3、两个金属纳米薄膜4和两个金属电极5；铌酸锂晶体3为长方体块体，本实施例的铌酸锂晶体3的尺寸为a×b×c＝15mm×10mm×1mm；建立xyz直角坐标系，其中y轴为铌酸锂晶体3的长度方向，x轴为晶体的光轴方向，即：晶体的生长方向，z轴为通光方向；

因为本实施例的铌酸锂晶体3的厚度为1mm，因为厚度不够，为了偏转效果更好，需要设置两个金属纳米薄膜4；两个金属纳米薄膜4分别设置在铌酸锂晶体3与xoz所在平面对应的两个晶面上，并在其中一个金属纳米薄膜4z轴方向的两端分别设置一个金属电极5；两个金属电极5分别连接电源的正负极；

激光光束依次通过一号半波片1和傅里叶透镜2后，沿z轴方向入射至铌酸锂晶体3；

本实施方式中的铌酸锂晶体制备时，按照晶面正对晶体结晶轴方向切割成长方体块体，之后对各个面进行抛光。

本实施方式的金属纳米薄膜材料选择金属钛；

在制备金属纳米薄膜时，先以离子溅射或真空蒸镀的方法在铌酸锂晶体z轴方向的晶面上镀上一层,在金属纳米薄膜z轴方向的两端镀上两个银导线电极作为金属电极5；

本实施例在晶体表面以离子溅射或真空蒸镀金属纳米薄膜的方式是为了增加电极的导电性能，同时增加晶体表面的电阻，产生温场，实现激光的偏转。

本实施例的调制方法包括如下步骤：

步骤一：激光光束入射至偏转光路；

步骤二：在偏转元件的两个金属电极5上施加直流电压，使铌酸锂晶体3产生的温度梯度场；

步骤三：逐渐增加施加的直流电压，使激光光束在温度梯度场方向发生横向偏转，直至获得需要调制的偏转角，停止增加直流电压的大小。本实施例中，在增加施加的直流电压大小时，从0v开始增加，根据选择的金属电极的电阻，最大的直流电压为15v。

根据金属电极5电阻的大小可适当调节直流电压的范围，电压不宜过大，否则由于温场梯度场的温度过高容易使晶体断裂。

本实施方式入射的激光为he-ne(632.8nm)激光；

本实施例还可以利用偏转光路和激光偏转调制方法实验铌酸锂晶体3内的温度梯度场的分布情况，具体操作为：

在保证施加的直流电压不变的情况下，沿着x轴方向或y轴方向，单一方向移动铌酸锂晶体3的位置，每移动0.5mm，重复一次实施例1中的步骤一至步骤三，获得偏转角度，记录每移动0.5mm后获得一组偏转角度、相应施加的直流电压和铌酸锂晶体3内的光路位置，根据记录的多组数据，判断铌酸锂晶体3内温度梯度场的分布情况；在施加的直流电压对应的功率为1.98w，电压为11v，电流为0.18a的情况下，本实施例的铌酸锂晶体3从初始位置移动后，在不同位置获得一个光束偏转角如图2所示。

实施例2：本实施例将实施例1的铌酸锂晶体3的尺寸改为a×b×c＝40mm×10mm×3mm，同时只在晶面上设置一个金属纳米薄膜4，利用偏转光路和激光偏转调制方法实验铌酸锂晶体3内的温度梯度场的分布情况，具体操作为：

在保证施加的直流电压不变的情况下，沿着x轴方向或y轴方向，单一方向移动铌酸锂晶体3的位置，每移动1mm，重复一次实施例1中的步骤一至步骤三，获得偏转角度，记录每移动1mm后获得一组偏转角度、相应施加的直流电压和铌酸锂晶体3内的光路位置，根据记录的多组数据，判断铌酸锂晶体3内温度梯度场的分布情况；本实施例的铌酸锂晶体3从初始位置移动后，在不同位置，铌酸锂晶体3出射的两个光束在不同位置的偏转角如图3所示。本实施例在同一位置入射不同电压下的偏转角度实验结果如图4所示。

实施例3：本实施例在实施例1的基础上，改变了铌酸锂晶体3的尺寸：a×b×c＝30mm×10mm×3mm，还改变了偏转光路中金属纳米薄膜4的位置：本实施例中的金属纳米薄膜也设置在铌酸锂晶体3z轴方向的晶面上，但垂直于实施例1中的金属纳米薄膜。在保证施加的直流电压不变的情况下，沿着x轴方向或y轴方向，单一方向移动铌酸锂晶体3的位置，每移动0.5mm，重复一次实施例1中的步骤一至步骤三，获得偏转角度，记录每移动0.5mm后获得一组偏转角度、相应施加的直流电压和铌酸锂晶体3内的光路位置，根据记录的多组数据，判断铌酸锂晶体3内温度梯度场的分布情况；本实施例的铌酸锂晶体3从初始位置移动后，在不同位置获得一个光束偏转角如图5所示。

实施例4：本实施例为一种基于铌酸锂晶体温控的激光一维偏转调制方法，所述方法基于一维偏转光路实现，如图6所示本实施方式中的一维偏转光路包括1号半波片1、傅里叶透镜2、两个偏转元件和2号半波片6，偏转元件包括铌酸锂晶体3、金属纳米薄膜4和两个金属电极5；

铌酸锂晶体3为长方体块体，本实施例的铌酸锂晶体3的尺寸为a×b×c＝30mm×10mm×3mm；

建立xyz直角坐标系，其中y轴为铌酸锂晶体3的长度方向，x轴为晶体的光轴方向，即：晶体的生长方向，z轴为通光方向；

1号金属纳米薄膜4设置在铌酸锂晶体3的一个晶面上，该晶面位于yoz平面，两个金属电极5分别在1号金属纳米薄膜4z轴方向的两端；两个金属电极5分别连接电源的正负极；

激光光束依次通过一号半波片1和傅里叶透镜2后，沿z轴方向入射至1号铌酸锂晶体3；1号铌酸锂晶体3出射的激光光束入射至2号半波片6，2号半波片6出射的激光光束沿z轴方向入射至2号铌酸锂晶体7，且1号铌酸锂晶体3的1号金属纳米薄膜4与2号铌酸锂晶体7的金属纳米薄膜平行设置；

本实施例的调制方法包括如下步骤：

步骤一：将激光光束入射至一维偏转光路；

步骤二：分别在两个偏转元件的对应的金属电极上施加直流电压，使铌酸锂晶体产生的温度梯度场；

步骤三：逐渐增加施加的直流电压，使激光光束在温度梯度场方向发生横向偏转，直至获得需要调制的偏转角，停止增加直流电压的大小。

本实施例获得一维的光束偏转的示意图如图7所示。

实施例5：本实施例为一种基于铌酸锂晶体温控的激光二维偏转调制方法，所述方法基于二维偏转光路实现，如图8所示，本实施方式中的二维偏转光路包括1号半波片1、傅里叶透镜2、两个偏转元件和2号半波片6，偏转元件包括铌酸锂晶体3、金属纳米薄膜4和两个金属电极5；

铌酸锂晶体3为长方体块体，本实施例的铌酸锂晶体3的尺寸为a×b×c＝30mm×10mm×3mm；建立xyz直角坐标系，其中y轴为铌酸锂晶体3的长度方向，x轴为晶体的光轴方向，即：晶体的生长方向，z轴为通光方向；

1号金属纳米薄膜4设置在铌酸锂晶体3的一个晶面上，该晶面位于yoz平面，两个金属电极5分别在1号金属纳米薄膜4z轴方向的两端；两个金属电极5分别连接电源的正负极；

激光光束依次通过一号半波片1和傅里叶透镜2后，沿z轴方向入射至1号铌酸锂晶体3；1号铌酸锂晶体3出射的激光光束入射至2号半波片6，2号半波片6出射的激光光束沿z轴方向入射至2号铌酸锂晶体7，且1号铌酸锂晶体3的1号金属纳米薄膜4与2号铌酸锂晶体7的金属纳米薄膜垂直设置；

本实施例的调制方法包括如下步骤：

步骤一：将激光光束入射至二维偏转光路；

步骤二：分别在两个偏转元件对应的金属电极上施加直流电压，使两个偏转元件的铌酸锂晶体产生的温度梯度场；

步骤三：逐渐增加施加的直流电压使激光光束在温度梯度场方向发生横向偏转，直至获得需要调制的偏转角，停止增加直流电压的大小。

本实施例获得二维的光束偏转的示意图如图9所示。

本实施方式的实施例1至5中的铌酸锂晶体为纯linbo3晶体。虽然本实施方式中利用的是纯铌酸锂晶体实现了激光偏转的一维和二维偏转，但不排除在含有金属掺杂的条件下会存在相同或相似的偏转效应。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。