Управляемая электрооптическая зонная пластинка

Полезная модель относится к области квантовой электроники, а именно, к средствам управления параметрами оптического излучения и может быть использована в устройствах адаптивной оптики, вычислительной техники, связи и систем управления.
Известна фазовая зонная пластинка (Wood, R. Physical Optics. / R. Wood. - New York: The MacMillan Company, 1911. P. 38), фокусирующая падающее на её поверхность оптическое излучение за счет внесения фазового сдвига величиной в половину длинны волны падающего излучения в четных либо нечетных зонах Френеля. Фазовый сдвиг возникает за счет изменения толщины пластины либо показателя преломления в соответствующих зонах
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменять эффективность фокусировки в процессе работы, что ограничивает его область применения.
Известна фазовая зонная пластинка (Tatebayashi, T. Dual focal point electro-optic lens with a Fresnel-zone plate on a PLZT ceramic / T. Tatebayashi, T. Yamamoto, H. Sato // Appl. Opt. – 1992. – Vol. 31. – P. 2770–2775.), содержащая электрооптическую пластину с нанесенными на противоположные поверхности управляющими прозрачными электродами, хотя бы один из которых имеет структуру зон Френеля. Фазовый сдвиг возникает в неоднородном электрическом поле за счет линейного электрооптического эффекта. Эффективностью фокусировки такого элемента можно управлять, изменяя электрическое напряжение, прикладываемое к управляющим электродам.
Недостатком данного устройства является неоднородное по толщине пластины распределение поля от структурированного электрода, что уменьшает чувствительность к управляющему напряжению. Кроме того, структурированные прозрачные электроды вносят собственный пространственно распределённый фазовый сдвиг.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является управляемая электрооптическая зонная пластинка (Cudney, R. Electrically controlled Fresnel zone plates made from ring-shaped 180 degrees domains. / R. Cudney, L. Ríos, H. Escamilla // Opt. Express – 2004. – Vol. 12. – P. 5783–5788.), включающая монокристаллическую пластину Z среза ниобата лития конгруэнтного состава с набором концентрических кольцевых доменов, радиусы которых определяются размером зон Френеля и, нанесенные на полярные поверхности обозначенной пластины, сплошные прозрачные управляющие электроды. Фазовый сдвиг возникает в однородном электрическом поле за счет линейного электрооптического эффекта и противоположен в доменах различной ориентации.
Недостатком данного устройства является сложность создания кольцевых доменов в ниобате лития конгруэнтного состава. Наиболее развитые способы формирования доменной структуры в нелинейно-оптической пластине сегнетоэлектрика с помощью электрического поля включают следующие этапы: на противоположных полярных поверхностях пластины формируют временные электроды, хотя бы один из которых выполняется по определенному рисунку (конфигурации). Затем к электродам прикладывают высокое напряжение, приводящее к формированию доменной структуры в соответствии с конфигурацией электрода. Приложение электрического напряжения между электродами приводит к перевороту направления спонтанной поляризации сегнетоэлектрика и формированию доменов в областях, соответствующих рисунку электрода. Известная технология фотолитографии позволяет создавать произвольный рисунок электрода с высокой точностью и воспроизводимостью. Основной технологической сложностью, не позволяющей создавать домены с геометрическими параметрами (формой, размерами и положением), точно соответствующими рисунку электрода, является уширение образующихся доменов за пределы электрода. За счет анизотропии скорости роста доменов в ниобате лития конгруэнтного состава уширение минимально, когда граница электрода ориентирована вдоль одной из Y кристаллографических осей кристалла, и максимально, когда граница электрода ориентирована перпендикулярно этим осям (Sheng, Y. Anisotropy of domain broadening in periodically poled lithium niobate crystals / Y. Sheng et al. // Appl. Phys. Lett. – 2006. – Vol. 88. – P. 1–3). Ширина зон Френеля уменьшается при уменьшении расчетного фокусного расстояния зонной пластинки, кроме того, ширина зон уменьшается с ростом номера зоны. Создание кольцевых доменов, использующихся в прототипе, требует применения временных электродов, выполненных по сложному рисунку таким образом, чтобы с учетом анизотропии уширения образующиеся домены имели кольцевую форму. В противном случае, анизотропное уширение приводит к отклонению полученной дифракционной структуры от расчетной.
Техническая проблема заключается в сложности выполнения доменов кольцевой формы, применяемых в прототипе. Анизотропное уширение доменов за границы временных электродов на этапе создания заданной доменной структуры приводит к искажению рассчитанной структуры и ограничивает минимальное фокусное расстояние и максимальную апертуру изготавливаемых зонных пластинок.
Техническая проблема устраняется за счет оптимизации дифракционной структуры с учетом анизотропии уширения доменов за границы электродов на этапе создания доменной структуры в монокристаллах ниобата лития конгруэнтного состава. Наиболее технологичными являются доменные структуры, состоящие только из доменов имеющих форму выпуклых многоугольников, стороны которых ориентированы по Y кристаллографическим направлениям, так как в этом случае уширение доменов за границы временных электродов минимально. Такая структура может быть получена путем строгой дизъюнкции структур трех линейных зонных пластинок, оси которых ориентированы вдоль различных Y кристаллографических направлений, а центры совпадают.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на Фиг.1 изображена предложенная фокусирующая дифракционная структура, полученная путем строгой дизъюнкции структур трех линейных зонных пластинок, оси которых ориентированы вдоль различных Y кристаллографических направлений, а центры совпадают.
на Фиг.2 изображен вид сбоку, а на Фиг.3 вид спереди на управляемую электрооптическую зонную пластинку, где 1 – пластина ниобата лития конгруэнтного состава с созданной в ней дифракционной доменной структурой (домены с противоположными направлениями спонтанной поляризации на Фиг.3 обозначены черным и белым цветом), 2 – прозрачные управляющие электроды, 3 – источник управляющего напряжения, 4 – падающий световой пучок, 5 – сфокусированный световой пучок
на Фиг.4 изображена зависимость эффективности фокусировки изготовленной управляемой электрооптической зонной пластинки в зависимости от управляющего напряжения.
Управляемая электрооптическая зонная пластинка работает следующим образом. С помощью прозрачных управляющих электродов 2 (Фиг. 1,2) на пластину ниобата лития конгруэнтного состава с созданной в ней дифракционной доменной структурой 1 подается управляющее напряжение (например, от источника 3), за счет чего в пластине возникает электрическое поле. За счет линейного электрооптического эффекта возникает набег фаз между доменами различной ориентации, приводящий к интерференции падающего пучка 4 на доменной структуре. Так как доменная структура выполнена виде строгой дизъюнкции структур трех линейных зонных пластинок, оси которых ориентированы вдоль различных Y кристаллографических направлений, а центры совпадают (Фиг. 3), в расчётной точке фокуса выполняется условие конструктивной интерференции, если управляющее напряжение равно полуволновому. Изменяя управляющее напряжение от ноля до максимального можно плавно управлять эффективностью фокусировки. (Фиг. 4). При этом максимальная достигнутая эффективность фокусировки составляет 20%. Максимальная теоретическая эффективность концентрической фазовой зонной пластинки с бинарным рельефом составляет 40,5%.
Технический результат заключается в том, что для предложенной структуры уширение доменов за границы временных электродов на этапе создания доменной структуры минимально, что позволит воспроизводимо создавать зонные пластинки с меньшим размером элемента. Уменьшение минимального размера элемента позволит создавать зонные пластинки с меньшим фокусным расстоянием либо с большей апертурой.