一种基于光栅结构的偏振无关型可变光功率分束器

1.本发明属于光学技术领域，涉及光学功能器件，具体指一种基于光栅结构的偏振无关型可变光功率分束器。


背景技术：

2.光功率分束器是一种重要光学功能器件，主要用于实现光学系统中光功率的合理分配。传统光功率分束器通常采用多层介质膜、晶体的双折射效应或自由曲面透镜来实现光分束，但是存在体积大、分束比固定等缺点，这种传统光功率分束器已不能满足现代光学系统的实际需要。目前，可变光功率分束器的市场需求越来越大，其应用前景越来越广阔。近年来，人们提出了多种波导型光功率分束器，但这种光功率分束器仅适合用于集成光子系统，而不能用于自由空间光学系统中。
3.光栅是一种重要光学元器件，在自由光学系统中有广泛应用，如用于窄带滤波、高反射、高透射、脉冲压缩与展宽等。这些光栅周期与其工作波长通常相差较小，所以称为亚波长光栅。以前，所报道的基于光栅结构的光功率分束器，虽然能用于自由空间光学系统中，但通常存在分光比固定，且其对偏振态敏感，即不同偏振态光束（te波和tm波）的分数比难以实现相同的分光比，因而各分光束的偏振态相对于入射光束会发生变化。这对光偏振态有严格要求的光信息处理系统来说，会产生诸多问题，将严重影响光学性能，限制了其实际应用范围。
4.由于这些光功率分束器通常存在诸多问题，目前已不内满足现代光学系统的实际需求，因而发明一种新的光功率分束器，使其光功率分束不仅动态可调控，而且其分束比不受光束偏振态的影响，这在光信息处理、成像以及传感等领域具有重要应用价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种偏振无关型可变光功率分束器。该分束器由二维亚波长光栅与微流体通道构成，混合液体在微流体通道内流动。其分束比不随光束偏振态变化而发生改变，获得偏振非依赖的光分束。通过改变混合液体折射率，从而实现对光功率分束的动态调控。该器件具有结构简单、调控方便、动态范围大、无偏振依赖性等优点。
6.本发明技术方案如下：一种偏振无关型可变光功率分束器，其结构如图1、图2和图3所示，其中图1是器件实现光分束原理图，图2是器件整体结构的俯视图，图3是器件在图2中a1a2位置处的横截面图。该器件由亚波长光栅结构和微流体通道构成。其微流体通道由流体输入端口5、6、输出端口7、微流体窄通道8、9和微流体宽通道10构成。其光栅结构12是周期小于其入射波长的二维棋盘型结构，其为有机聚合物材料，可通过光学光刻容易制备，这里不再赘述。该光栅结构12位于下基片11和上基片13之间，下基片11和上基片13均由玻璃材料构成，对器件起支撑和保护作用。在光栅结构的上方空间为微流体通道10，混合透明液体在该流体通道内流动，其折射率可通过改变混合物液体浓度来动态调控。
7.两种不同液体分别经由流体泵注入到输入端口5、6，然后在微流体窄通道8流动并混合，其混合液体流进微流体宽通道10，接着混合液体流向微流体窄通道9，最后从输出端口7输出。混合液体浓度与其折射率密切相关，因而可在输入端口5、6调控其各自液体的流速来改变混合液体浓度，从而实现对其折射率大小的动态操控。平行光束1按某一角度入射到光功率分束器上，将发生反射与透射。由于是亚波长光栅，其衍射级次均为零级，故只有零级反射光2和零级透射光3。通过改变混合液体的折射率，可使其反射光与透射光功率发生变化，从而实现其分束比的动态调控。由于该光栅为二维棋盘型亚波长周期结构，其分束比将不受光束偏振态影响，从而可实现偏振无关型光分束。
8.本发明提供的偏振无关型可变光功率分束器由亚波长光栅结构和微流体通道构成，其材料为有机聚合物材料和玻璃材料。该器件结构简单，制备简便，可采用光学光刻方法便可制备，其具体制作过程可参考相关文献，这里不再赘述。
9.本发明的工作原理是：本发明提出的偏振无关型光功率分束器的光栅区域的横截面如图3所示，其下基片11和上基片13为相同玻璃材料，设其折射率为n1；光栅结构12的基底层厚度为d，光栅层厚度为h；该二维光栅的在x和y方向的周期为t
x
和ty，其对应占空比f
x
=l
x/
t
x
和fy=l
y/
ty，其l
x
和ly分别表示其光栅层台阶在x和y方向的宽度。该光栅结构为有机聚合物材料，设其折射率为n2；混合液体在微流体通道内流动，其折射率设为n3，可通过改变混合物液体浓度来调控其折射率n3大小。
10.当平面波光束1以一定角度入射到光分束器4表面，光束会发生衍射。将产生反射和透射的0级次衍射，其反射光束2和透射光束3分别如图1所示。由于该光栅为亚波长周期结构，故只有0级次反射光和0级次透射光。其反射光与透射光的功率大小与微流体通道内混合液体折射率n3密切有关，故可通过改变混合液体浓度来调控其折射率n3，由此使得其反射光与透射光的功率大小发生改变，从而实现光功率分束比动态调控。由于该亚波长光栅在x、y方向上的周期相等，即t
x
=ty；占空比也相等，即f
x
=fy，所以te波和tm波两种不同偏振态的光束在该光栅衍射时透射与反射光束比相同，从而能够光分束功能不受光偏振态影响，该光学特性对于光学系统十分有用。
11.本发明提出的可变光功率分束器，是一种基于亚波长光栅结构并由微流体驱动的可调光学功能器件。其原理是通过微流体通道内液体折射率的改变来动态调控其光功率分束比，且其分束比不受光束偏振态影响，从而获得偏振非依赖的可变光分束。这是一种适合用于自由空间的新型光学器件，具有调控简便、结构简单、制作容易、无偏振依赖性等优点，在光学技术领域具有广阔应用前景。
附图说明
12.图1是本发明提供的基于光栅结构的偏振无关型可变光功率分束器实现光分束原理图。
13.图2是本发明提供的基于光栅结构的偏振无关型的可变光功率分束器的俯视图。
14.图3是本发明提供的基于光栅结构的偏振无关型可变光功率分束器的俯视图中a1a2连线位置的光栅区横截面图。
15.图4是本发明提供的基于光栅结构的偏振无关型可变光功率分束器的光功率分光
比随混合液体折射率变化关系，其中实线和虚线分别入射光为te波、tm波。
实施方式
16.下面结合附图对本发明进行进一步的说明。在光分束过程中，假定其光波长为1.55μm。如图1所示，入射光束1以45o入射到光分束器表面，其出射光束2和3分别竖直向上和水平向右传播。如图2、3所示，下基片11和上基片13均由k9玻璃构成，其厚度为2mm，其折射率为1.516；光栅结构12 为聚合物材料su-8，其折射率为1 .575；其光栅周期t
x
=ty=1.2μm，占空比f
x
=fy=0.45；这里假定微流体通道内混合液体为水与氯化钾混合液混合液，其折射率大小可通过调控其混合比例来改变，设其变化范围为1.333 ~1.433。
17.耦合波方法（coupled wave method, cwm）是一种用于研究微纳光栅衍射特性的常见方法。这里采用该方法对本发明提出的偏振无关型可变光功率分束器的分束性能进行模拟仿真。其分束比为反射光束2和透射光束3功率之比。当混合液体的折射率在1.333 ~1.433之间变化时，其分束比随混合液体折射率变化如图4所示，其中图4(a)表示入射光束1为te波时的分束比，图4(b)表示入射光束1为tm波时的分束比。由图可以看出，其光束比随折射率增大而单调下降，直至完全等于零。对于不同的偏振光，其分束比曲线基本一致，表明该可变光功率分束器的分束性能受入射光的偏振态影响可忽略不计。
18.本发明所提出的一种偏振无关型可变光功率分束器，具有结构简单、易于制作、调控范围大、易于操控、无偏振依赖性等优点，在现代光学系统中具有广阔应用前景。

技术特征：
1.一种偏振无关型可变光功率分束器，包括光栅结构和微流体通道结构，微流体通道结构由两个输入端口（5、6）、一个输出端口（7）、微流体窄通道（8、9）和微流体宽通道（10）构成；所述微流体宽通道（10）位于光栅结构（12）的上方空间；平行光束1按某一角度入射到光功率分束器上，会发生反射与透射，从而实现光分束。通过调控微流体通道内混合液体折射率，其分束比可动态调控，且不受光束偏振态影响，从而实现偏振无关型可变光功率分束。2.根据权利要求1所述的偏振无关型可变光功率分束器，其特征在于，光栅是一个亚波长周期结构，在x和y方向的周期相等，在x和y方向的占空比也相等。3.根据权利要求1所述的偏振无关型可变光功率分束器，其特征在于，微流体通道内混合液体为透明液体。

技术总结
本发明所公开的一种偏振无关型可变光功率分束器，属于光学技术领域，涉及光学功能器件。本发明提出的偏振无关型可变光功率分束器由光栅结构（12）和微流体通道结构构成；微流体通道结构由两个输入端口（5、6）、一个输出端口（7）、微流体窄通道（8、9）和微流体宽通道（10）构成；光束（1）入射到光分束器后会发生反射和透射，其分束比大小可通过改变微流体通道内混合液体折射率进行调控，且不受光束偏振态影响，从而实现偏振无关型可变光功率分束。本发明提供的偏振无关型可变光功率分束器具有结构简单、易于制作、调控简便、无偏振依赖性等优点，在光学技术领域具有广阔应用前景。在光学技术领域具有广阔应用前景。在光学技术领域具有广阔应用前景。


技术研发人员：唐雄贵 宋怡达 戎文静 蒋柳云
受保护的技术使用者：湖南师范大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/16