用于激光脉冲喷丸技术中激光能量调制的电光调制装置

摘要

本发明涉及一种用于激光脉冲喷丸技术中激光能量调制的电光调制装置，其是在棱镜表面的多层薄膜结构，包括：第一金属薄膜、电光聚合物薄膜、第二金属薄膜、缓冲层；其中，棱镜的折射率高于第一、第二金属薄膜、缓冲层和电光聚合物薄膜的折射率。本发明同时利用了共轭聚合物材料的Pockels效应和Kerr效应，在不改变调制电压的情况下，通过引入直流偏压，增加了器件的调制度。特别适用于激光脉冲喷丸强化与成形技术中，通过调整调制器的直流工作偏压，实现激光光斑能量的精细调节。

说明书

技术领域

本发明涉及共轭聚合物波导电光调制器，尤其是一种同时利用共 轭聚合物材料的Pockels效应和Kerr效应的电光调制器。

背景技术

在激光脉冲喷丸强化与成形技术中，激光能量的大小对实验结果 的影响是最为显著的，因而实现激光能量大小的精细调节是更精确的 进行激光脉冲喷丸强化与成形实验研究与工业化生产的必要条件。

有机聚合物非线性(NLO)材料因其快速响应时间和较大的二阶、 三阶非线性极化率而倍受关注，它具有其它NLO材料无法比拟的合成 和加工优势，结构易于剪裁，同时具有良好的机械性能、高的激光损 伤阈值。聚合物NLO材料大规模生产的每个成熟的聚合步骤成本都很 低廉，有机聚合物材料的稳定性已能满足器件应用的要求，有机聚合 物材料的电光活性已达到或超过了铌酸锂晶体。在各种有机非线性材 料中，共轭型聚合物是最被广泛应用的。Charles Greenlee等人在《Optics  Express》(《光学快讯》)Vol.19(13)：12750-12758,2011(2011年，第 19卷(第13期)第12750-12758页)中的论文“Electro-optic polymer  spatial light modulator based on a Fabry Perot interferometer  configuration”(基于法布里-珀罗干涉仪结构的电光聚合物空间光调 制器)提到因为具有易离域化的π-共轭电子结构，通常显示出常规高 分子所不具有的独特非线性光学性质，具有大的非共振非线性极化率 和超快的非线性光学响应时间，其特性可以随着其主链、侧链的变化 而改变。基于共轭聚合物的光子器件研究是光子学研究的重要方面。

有机聚合物波导电光调制器结构主要有两种形式：波导传输型的 Mach-Zender(M-Z)结构和衰减全反射型结构。M-Z结构干涉型有机 聚合物电光调制器，具有带宽高，半波电压低等优点，但也有其难以 克服的缺点，如有机功能材料的传输损耗大(一般情况下＞1dB/cm)， 造成器件的插入损耗很大(＞10dB)，妨碍了它的广泛使用。衰减全反 射型有机聚合物电光调制器，采用导模共振模式代替了表面等离子体 共振模式，大大降低了调制器的工作电压，提高了器件调制度。反射 型的结构，不存在传输损耗，降低了对材料损耗的要求。

Bartos Chmielak等人在《Optics Express》(《光学快讯》)Vol. 19(18)：17212-17219,2011(2011年，第19卷(第18期)第17212-17219 页)中的论文“Pockels effect based fully integrated，strained silicon  electro-optic modulator”(基于全集成应变硅电光调制器的Pockels效 应)提到在一般情况下，具有二阶非线性效应的共轭聚合物材料，同 时也具有三阶非线性效应，只是三阶非线性系数较小。与之相对应的 pokels效应(一次电光效应)和Kerr效应(二次电光效应)也具有同样 的关系，二次电光系数通常小于其Pockels系数。因而，大部分电光聚 合物调制器是基于Pockels效应而不是Kerr效应。

另外，在激光脉冲喷丸强化与成形过程中，激光光斑面积较大， 一般为5mm×5mm，而现有的调制器不可以实现大面积光斑的调制， 所以不适用于激光脉冲喷丸强化与成形。

发明内容

基于以上考虑，如果提出一种能够对光斑面积较大的激光进行调 制，并且精细调节激光能量的调制器，将是非常有利的。

根据本发明的一方面，提出了一种用于激光脉冲喷丸技术中激光 能量调制的电光调制装置，其是在棱镜表面的多层薄膜结构，包括： 第一金属薄膜，由金或银制成，其厚度为30nm至50nm，第一金属薄 膜作为耦合层和第一电极；电光聚合物薄膜，其具有一次和二次电光 效应，作为波导层，电光聚合物薄膜的厚度为1μm至10μm；第二金 属薄膜，由金或银制成，作为第二电极，其厚度为300nm至500nm； 缓冲层，是聚甲基丙烯酸甲酯材料，位于波导层和第二电极之间，用 于保护波导层，缓冲层的厚度为1μm至4μm；其中，棱镜的折射率 高于第一、第二金属薄膜、缓冲层和电光聚合物薄膜的折射率。

当入射到棱镜底面的激光满足共振条件时，入射光的能量被耦合 到波导中，反射光的强度降低，形成导波共振峰。加在电光聚合物薄 膜(z方向)的外加电场改变了聚合物薄膜的折射率，改变了导模的传 播系数，使导波共振峰的位置发生偏移，反射光强被调制。电光共轭 聚合物薄膜的场致折射率的变化与外加电场的关系为：

${\mathrm{\Delta n}}_{33}=-\frac{1}{2}{n}_3^3({\gamma }_{33}E+s_{33}{E}^2)---\left(1\right)$

其中，Δn₃₃为电光聚合物薄膜的场致折射率变化量，n₃是没有外 加电场时电光聚合物薄膜的折射率，γ₃₃是共轭聚合物的Pockels系数 的分量，s₃₃是共轭聚合物的二次电光系数的分量，E为外加电场的电 场强度。

在导波共振峰下降沿的中部，样品反射光强的变化量ΔI与场致 折射率变化Δn₃₃成线性关系，可以表示为：

$\mathrm{\Delta I}=k·\frac{1}{n_1\cos \theta }·{\mathrm{\Delta n}}_{33}---\left(2\right)$

其中k＝ΔI/Δθ为导波共振峰下降沿中部的斜率，n₁为棱镜的折 射率。由式(1)、(2)可知，反射光强的变化ΔI与外加电场E的关 系为：

$\mathrm{\Delta I}=-k·\frac{1}{2n_1\cos \theta }{n}_3^3({\gamma }_{33}E+s_{33}{E}^2)---\left(3\right)$

加在波导层上的外加电场E可以表示为：

E＝E_DC+E_Ssinωt    (4)

其中，E_DC是直流偏压，E_ssinωt是调制电信号，E_S是调制电信 号的幅值。将公式(4)代入公式(3)得到：

$\mathrm{\Delta I}=-k·\frac{n_3^3}{{2n}_1\cos \theta }·[({\gamma }_{33}{E}_{\mathrm{DC}}+s_{33}{E}_{\mathrm{DC}}^2)+({\gamma }_{33}+{2s}_{33}{E}_{\mathrm{DC}})E_S\sin \mathrm{\omega t}+s_{33}{E}_S^2{\sin }^2\mathrm{\omega t}]---\left(5\right)$

其中，ΔI为调制光强的变化量，k＝ΔI/Δθ为导波共振峰下降 沿中部的斜率，n₁为棱镜的折射率。

当$|\frac{{\gamma }_{33}}{s_{33}}+{2E}_{\mathrm{DC}}|>>E_S$时，$s_{33}{E}_S^2{\sin }^2\mathrm{\omega t}$可忽略，则调制光强ΔI_m可表 示为：

$\Delta I_m=-k·\frac{{n_3}^3}{{2n}_1\cos \theta }·({\gamma }_{33}+{2s}_{33}{E}_{\mathrm{DC}})E_S\sin \mathrm{\omega t}---\left(6\right)$

调制光强ΔI_m，在直流偏压固定，的条件下，与调制 电场成正比，并且随着直流偏压的增大而增加。调制器的工作面积很 大，可以实现大面积光斑的调制，因而适用于激光脉冲喷丸强化与成 形技术中。

根据本发明的一个实施例，电光聚合物薄膜为已极化的共轭聚合 物PF8-BT-CZ。

根据本发明的一个实施例，电光调制装置适用于激光脉冲喷丸强 化与成型技术中，通过调整电场的直流偏压，精细调节调制光强的变 化量。

根据本发明的另一方面，公开了一种电光调制装置的实施方法， 包括：在第一、第二电极之间外加调制电信号；外加电场包括调制电 信号和直流偏压；调制器的输出光与调制电信号依旧保持线性关系； 调节直流偏压较大的幅度，调制光强的变化较小，实现了激光能量的 精细调制。

本发明根据激光脉冲喷丸强化与成形研究中激光光斑面积较大 与激光能量大小达到精细调节的特点，提出了一种同时基于共轭聚合 物Pockels效应和Kerr效应的波导电光调制器。同时利用了Pockels效 应和Kerr效应，在对调制器施加调制电信号的同时，增加了直流偏压。 由于Kerr电光系数比Pockels电光系数小得多，直流偏压较大幅度变 化时，调制光强变化却很小，可以实现对激光能量的精细调制。特别 适用于激光脉冲喷丸强化与成形技术中，实现激光能量的精细调节。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更清晰。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本 发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是依据本发明实施例的电光调制器结构示意图；

图2是聚合物PF8-BT-CZ的化学结构示意图；

图3是聚合物PF8-BT-CZ的吸收光谱示意图；

图4是依据本发明实施例的实验装置示意图；

图5是导波共振峰TM1实验曲线；

图6是示波器所示调制电压(上)和反射光强(下)随时间变化 曲线，工作角选在832nm下的TM1模式，所加的调制电压在输入示波 器前被衰减到原始值的10％；

图7a是固定的调制电信号下，直流偏压是90V时反射光强在示 波器上的图形；

图7b是固定的调制电压下，直流偏压是100V时反射光强在示 波器上的图形。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相 似的装置(模块)或步骤。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的 所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特 定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。 可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例， 也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限 制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

图1是依据本发明实施例的电光调制器结构示意图。

电光调制器10的结构如图1所示，其是在棱镜表面的多层薄膜 结构，包括：金属薄膜2，由金或银制成，厚度为30nm至50nm，金 属薄膜2作为耦合层和第一电极；电光聚合物薄膜3，其具有一次和二 次电光效应，作为波导层，电光聚合物薄膜3的厚度为1μm至10μm； 金属薄膜5，由金或银制成，作为第二电极，其厚度为300nm至500nm； 缓冲层4，是聚甲基丙烯酸甲酯材料，位于波导层和第二电极之间，用 于保护波导层，缓冲层的厚度为1μm至4μm；棱镜1的折射率高于 第一、第二金属薄膜、缓冲层和电光聚合物薄膜的折射率。

具体地，采用溅射工艺在ZF7棱镜的底面制备金膜，采用双波 长法测量金膜的厚度及其介电常数分别为d₂＝40nm、ε₂＝-20+1.5i。采 用匀胶的方法将共轭聚合物PF8-BT-CZ溶液旋涂在金膜上，然后放入 温度为50℃的烘箱，蒸干其溶剂。利用m线方法测量得到PF8-BT-CZ 层的厚度d₃＝1.02μm和在波长832nm下的折射率n₃＝1.590。为去除 PF8-BT-CZ的中心对称结构，将其加热至材料的玻璃化转变温度105℃ 附近，在垂直于聚合物表面的方向施加4.1kV电场，保持针尖极化电 极间距离为20mm的条件下，在空气中将聚合物薄膜电晕极化25分钟 后，保持外加电场不变，将其冷却至室温。聚合物内部的极性分子在 电场作用之下定向排列起来，对外呈现出光学各向异性，具有了线性 电光特性。为了保护共轭聚合物PF8-BT-CZ波导层，采用匀胶法将高 分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在极化后的聚合物之上， 并烘干。PMMA层的折射率在波长832nm下为n₄＝1.483，厚度为 d₄＝3.27μm。最后，采用溅射方法在PMMA薄膜上制作另一层金膜， 作为器件的另一电极。

图2是聚合物PF8-BT-CZ的化学结构，图3是聚合物PF8-BT-CZ 的吸收光谱。

共轭聚合物(poly 9，9-dioctyl-2，7-fluorene-co-benzo[c][1，2，5] thiadiazole-co-9-hexyl-3，6-carbazol，简称PF8-BT-CZ)的化学结构和 吸收光谱如图2和图3所示。PF8-BT-CZ侧链上的电子给体和电子受 体使其在极化之后表现出较大的二阶非线性效应。同时，苯环上的碳 原子都是sp2杂化的，不仅同一个苯环上的碳原子之间会形成π键，不 同苯环之间相互连接的两个碳原子之间也会形成π键，导致整个 PF8-BT-CZ分子会形成一个离域的大π键结构，因此聚合物PF8-BT-CZ 会表现出较大的三阶非线性效应。

图4是依据本发明实施例的实验装置示意图。将制备的调制器样 品放置在θ/2θ转角仪上，半导体激光器输出波长为832nm的激光，通 过起偏器后，产生TM偏振光入射至棱镜的底面上，样品的反射光强 由探测器探测，并输出至模数转换器，然后输出至计算机。计算机控 制θ/2θ转角仪进行角度扫描，探测器采集到的样品反射光强形成导波 共振峰如图5所示。样品的调制工作角选择在导波共振峰TM1下降沿 中点A。外加电场为三角波电信号时，样品反射光强的改变量随时间 的变化情况如图6所示。三角波电信号由振荡器和波形发生器生成。 由于一次电光效应和二次电光效应共同作用，导致了反射光强不只与 外加电场E有关也与E₂有关。反射光强随电场的变化在一个三角波 电场的周期内，呈现一个不对称的抛物线的形式，验证了极化后的 PF8-BT-CZ波导层同时具有一次和二次电光效应。分别测量外加电场 在达到+z和-z方向极值时样品反射光强，可得到PF8-BT-CZ薄膜的 Pockels系数分量γ₃₃＝4.052×10^-14m/V，二次电光系数分量 S₃₃＝6.889×10^-21m²/V²。

为了获得器件的调制响应，同时在样品的两个电极上加调制信号 和直流偏压。调制三角波电压的峰峰值为4.97V、频率为100kHZ。为 避免损坏样品，直流偏压每次只递增10V。当直流偏压达到90V时， 反射光强的改变与所加的三角电压成线性正比关系。在调制电压固定 的情况下，继续增加到100V时，器件的调制深度从2.18％增大到3.2％， 如图7a、7b所示。表1给出了在调制电压峰峰值9.9V、频率为100kHZ 时，不同的直流偏压对应的器件调制深度，器件的调制深度随着直流 偏压的增加而增加。

表1是在峰峰值9.9V调制三角波电压下对应不同直流偏压的调 制深度。

表1 调制深度与直流偏压的关系

本实验中采用的共轭聚合物PF8-BT-CZ的Pockels系数和二次电 光系数都相对较小，导致器件得调制深度较小。通过进一步优化 PF8-BT-CZ聚合物体系，可以得到更高的分子极化率及电光系数，可 期待在更低的直流偏压和调制电压情况下，得到更高调制深度。尽管 实验中调制器的工作波长为832nm，调制器可以工作的波长范围是在 共轭聚合物的非吸收波段。

该调制器的工作面积很大，可以实现大面积光斑的调制，且由于 Kerr电光系数比Pockels电光系数小得多，直流偏压较大幅度变化时， 调制光强变化却很小，可以实现对激光能量的精细调制，因而特别适 用于激光脉冲喷丸强化与成形技术中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例 的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其 他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作 是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排 除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中 陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表 示名称，而并不表示任何特定的顺序。