基于铁电体微畴结构的平板集成高速电光器件研究

Aiming to the high speed of optical path transformation and beam processing with high precision in optical systems, the project researches the electro-optic effects of domain inversion structures of ferroelectrics and develops the planar-integrated electro-optical modulation components and devices. In the project, the optical performances of different ferroelectric domain patterns including cascaded domain inversion structures with one geometric shape and many kinds of shapes are mainly studied. It is to develop the novel concept devices by using ferroelectric domain stacks.

针对高速响应的高精度光路变换和光束处理，本项目研究铁电体微畴结构的电光效应，发展基于晶体畴反转结构级联集成的平板光学电光调制元件和高速电光器件。主要研究不同几何光学形状的畴反转体及其级联结构的电光效应和光学性质，研究单类型单形状级联畴反转结构、单类型多形状级联畴反转结构和多类型多形状级联畴反转结构的电光调制性质和光学功能，发展可通过电场调制的光学功能单元，多功能单元集成的平板光学电光系统和多片集成的新型高速电光器件的原理和方法。

本项目研究了三角形、光栅形、透镜形、象限式等类型畴反转体以及级联结构的电光调制性质，发展了铁电体畴反转结构集成的电光调制器件。利用三角形畴反转结构的电光偏转性质，通过优化畴反转结构和级联方式，设计了最大使用光束直径为500μm时扫描范围为±30.6°的大角度级联电光偏转器。制作了设计扫描范围为±21.3°的电光偏转器件。采用ABCD传输矩阵，研究了不同几何类型包括平凸、双凸、平凹、双凹、正弯月、负弯月等畴反转透镜的电光调焦性质，得到了几何参数、级联间距、级联数目等对电光调焦性质的影响，以及高斯光束在级联畴反转电光透镜系统中的变换性质，设计的高精度激光光束束径电光调制器可实现连续可调的扩束和缩束比。利用周期性极化钽酸锂（PPLT）的电光衍射性质，发展了PPLT集成的1×4/2×4 PPLT电光分路/耦合器，通过调节施加在四个PPLT上的电场，可实现任意连续可调的分光/耦合比，实验给出了四路输出分光比为1:0:1:0、1:1:1:1、2:1:2:1、3:1:3:1的调制方法。综合PPLN和畴反转透镜的电光调制性质，设计了变方向的电光调焦系统。数值研究了象限式畴反转结构π相位板在光束自身干涉相消抑制轴上光强的性质，设计的十象限畴反转结构π相位板理论最大光强对比度为10-5，发展了探测淹没在极强背景信号中的微弱散射光测量方法。项目研究结果表明，基于铁电体微畴结构的电光器件可在微米量级上对光束进行各种高精度的电光调制和变换，包括聚焦、衍射、偏转、波前相位调制等，可制作任意形状的畴反转体发展铁电体基集成功能器件，具有制作灵活多变，实时调制和高精度的优点。如能进一步降低使用电压，铁电体畴反转结构集成电光器件在激光技术、光通信和光学信息处理等领域有重要应用。