Page 32 - LFWC_MayJun_2019_eMag

Technologies Center 技术中心

光束控制

非机械片上波导器件控制中红外光束

面内转向电极 面外转向电极
文/Gail Overton 电极细节
θ面内
用 于转向光束的机械装置，例如万向镜或旋转的 盖玻片 液晶
芯
Risley 棱镜，通常容易受到疲劳和机械故障的
影响，并且也会受到大尺寸、大重量和高功率 衬底 亚包层
电极
侧视图 θ面外
（SWaP）要求的困扰。为了避免这些缺点，美国海军研究
耦合出/面外转向电极
实验室（NRL）的研究人员已经设计了一种电压控制的非 耦合入区 面内转向区
机械光束控制装置，其可以在二维方向上传输中波长红外
图1：全光学装置（插图）在包
[1]
（MWIR 或中红外）光束。 这种固态中红外光学组件依 含波导、液晶和耦合光学元件的
光学芯片内，以二维方式传输中
赖于液晶包层光波导。 红外光束。

没有移动部件 极和作为底部电极的衬底之
与机械装置相比，集成光学组件的美妙之处在于其固 间的 LC 上施加电压时，它
态的牢固特性，以及小型化适应性。虽然其他非机械装置， 使 LC 分子重新定向，改变
如空间光调制器（SLM）、光学相控阵（OPA）和偏振光 波导中的有效折射率并因此操纵光束。为了测试器件的操
栅（PG）装置可以提供光束转向，但所有这些都是有限 作，由准直光学元件调节的 4.6μm、40mW 量子级联激光
制的，并且在固定波长下工作，具有固定的转向角和 / 或 器（QCL），从自由空间中耦合到 SEEOR 的输入面。
有限的功率传输能力。基于美国 Vescent Photonics 公司首 当电压施加到盖玻片上的面内和面外电极时，光束被
次提出的一种架构，该 NRL 的装置被称为可操纵的电子 红外相机捕获。通过进行转向电压高达 500V 的实验，证
倏逝光学折射器（SEEOR），它在 3~5μm 的波长范围内， 实了前文提到的光束转向能力。
能以平面内 14°、平面外 0.6°连续控制中红外光束。 为了增加面内和面外转向能力和传输，可以对传播
为了制造 SEEOR，首先将多个薄膜波导层应用于 长度、刻面角度优化以及电极设计修改进行优化，或在表
48.5mm 长、14.5mm 宽，刻面（3mm 长，39°角）2.75mm 面上镀减反射膜层。“开发这种 MWIR 光束控制技术，需
厚的掺杂硅衬底上。波导亚包层的折射率低于衬底或芯的 要我们解决一系列具有挑战性的问题 ：新的波导设计和制
折射率，并且在 SEEOR 的耦合入和耦合出区域为锥形（见 造技术，新的 LC 成分，新的 LC 对准技术，所有这些都
图 1）。光以 Ulrich 耦合器配置，耦合进入或离开平板波 必须与中红外光兼容。”NRL 特种波导部门负责人 Jesse
导的刻面区域并传输到芯，该芯由硫系玻璃（包含一种或 Frantz 说，“我们希望看到 NRL 的 MWIR SEEOR 技术取
多种“硫属”元素 ：硫、硒和碲作为主要成分的无定形半 代机械光束控制器，特别是在 SWaP 成为大问题的情况下。
导体）组成，组分硒化砷（As 2 Se 3 ）具有比硫化砷（As 2 Se 3 ） 举例来说，考虑用小型无人机测量甲烷泄漏的情况。它不
亚包层更高的折射率。 能承载大的有效载荷，但转向中红外光对于这种应用至关
芯、亚包层和衬底可以在整个中红外光谱中传输光 重要。”
束。波导的顶部包层是液晶（LC）层，位于芯和电极图
样的盖玻片之间。在芯以及盖玻片的电极侧的顶部是几纳 参考文献
1. J. A. Frantz et al., J. Opt. Soc. Am. B, 35, 12, C29–C37 (2018).
米厚的 LC 对准层，诱导棒状 LC 分子对准。当在顶部电

30 May/ Jun 2019 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界