直接光學(xué)相移器

曹吉瑞，賈晉芳，董雅賓

（量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006）

直接光學(xué)相移器

曹吉瑞，賈晉芳，董雅賓*

（量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006）

根據(jù)聲光調(diào)制中的頻率、相位調(diào)制原理，文章提出了一種光學(xué)相移的方法.利用一對聲光調(diào)制器，合理校準(zhǔn)它們，可以構(gòu)建出一個(gè)光學(xué)相移器.這個(gè)相移器通過兩聲光調(diào)制器的超聲波相位差可以直接控制兩光束的相位差.當(dāng)使用與偏振無關(guān)的聲光調(diào)制器時(shí)，該相移器對入射光的偏振并不敏感，而且不需要精確的機(jī)械刻度.這是把相移直接引入校準(zhǔn)激光束的光學(xué)相移方法，且提出的該方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致.

光學(xué)相移；射頻信號；聲光調(diào)制器

0 引言

在各種基于干涉光學(xué)的實(shí)驗(yàn)與系統(tǒng)中都渴望控制光束的相位，包括橫向剪切干涉儀［1-2］，相位輪廓測定法及全息干涉［3］，恒星干涉測量［4］等，光學(xué)相移都能以不同的方式引入.絕大部分的光學(xué)相移器是利用機(jī)械的方式，移動一個(gè)光學(xué)平面鏡或光柵，改變光程差，把相移引入反射或干涉光束中.還有一種引起相移的方法稱作幾何相移法，是基于兩束相干光在不同偏振態(tài)下的效果分析［5］.但這些都是應(yīng)用機(jī)械移動的，所以不可避免的存在著精度和穩(wěn)定性等問題.

本文中，我們提出并驗(yàn)證了另外一種光學(xué)相移的方法，即光經(jīng)過一對聲光調(diào)制器后，引入相位平移.同時(shí)不改變光路，所以避開了機(jī)械移動，直接把射頻信號的相位引入光束中.這種相位移動的方法的最大特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、不改變光路、體積小、使用方便等.

1 理論

下面具體介紹聲光調(diào)制中的頻率、相位調(diào)制理論.

設(shè)入射光束電場表示為：

第一個(gè)聲光調(diào)制器的超聲波場用駐波場表示為：

在聲光調(diào)制器內(nèi)，材料的密度（和折射率）由超聲波來調(diào)制.入射的聲波在聲光調(diào)制器中形成光柵.當(dāng)入射角滿足所謂的布拉格條件，入射光束產(chǎn)生＋1級衍射，衍射光束頻率會發(fā)生改變.根據(jù)與聲波相關(guān)的入射光束方向，如果入射光方向與超聲波傳播方向相對，如圖1所示，根據(jù)聲光調(diào)制中的頻率、相位調(diào)制原理，＋1級衍射光束頻率會增加.

從聲光調(diào)制器1出射的光束電場可以表示為：

其中Φ1是光束經(jīng)過聲光調(diào)制器1后的相位延遲，出射場E10與入射場E0的關(guān)系取決于聲光調(diào)制器的衍射效率.

光的入射角頻率ω0和超聲波角頻率Ω與出射角頻率ωd的關(guān)系是［6］：

入射光初相位φ1和超聲波初相位θ1與出射光初相位Φ1的關(guān)系是［6］：

圖1 相移器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the proposed optical phase shifter

聲光調(diào)制器1產(chǎn)生的第1級衍射光進(jìn)入第2個(gè)聲光調(diào)制器后，其光束的電場表示為：

這里φ2是光束從聲光調(diào)制器1到聲光調(diào)制器2的相位延遲.加在聲光調(diào)制器2上的超聲波的駐波場可表示為：

進(jìn)入聲光調(diào)制器2的光束與超聲波傳播方向相向，因此，由聲光調(diào)制器2出射的光束頻率會減小.聲光調(diào)制器2出射的一級衍射級光束電場可以表示為：

其中，光的入射角頻率ωd和超聲波角頻率Ω與出射角頻率ω′d的關(guān)系是：

光的入射光初相位Φ1＋φ2和超聲波初相位θ2與出射光初相位Φ2的關(guān)系是：

由于兩個(gè)聲光調(diào)制器是被相同頻率的信號驅(qū)動.故聲光調(diào)制器1增加的頻率將被聲光調(diào)制器2減小頻率所抵消.φ2是光束從進(jìn)入聲光調(diào)制器1到出聲光調(diào)制器2整個(gè)光程所引起的相延遲.而事實(shí)上，比較第二個(gè)聲光調(diào)制器的入射方程和出射方程，可知φ1-φ2是固定的，對光的相位的控制正是對超聲波的相位θ1-θ2控制.其實(shí)是對輸入兩個(gè)聲光調(diào)制器射頻信號之間的相位差Δθ控制.而且由于射頻信號產(chǎn)生的超聲波是駐波，所以超聲波的相位差θ1-θ2是射頻電信號相位差Δθ的2倍.

其中，兩射頻信號的相位差Δθ正是延遲的量.那么，我們要想對光束的相位平移量為2π時(shí)，只要把射頻電信號相位延遲Δθ為π即可.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

780 nm的半導(dǎo)體激光器出射的激光束通過一對聲光調(diào)制器，通過控制驅(qū)動兩個(gè)聲光調(diào)制器射頻信號的相位，就可控制兩聲光調(diào)制器的駐波場的相位差，實(shí)現(xiàn)對θ1-θ2控制，從而引起激光束相位延遲.我們使用與偏振無關(guān)的聲光調(diào)制器，該相移器對入射光的偏振并不敏感.

入射光束通過兩聲光調(diào)制器衍射，聲光調(diào)制器1的第一級衍射光作為聲光調(diào)制器2的入射光束，這樣兩個(gè)聲光調(diào)制器1和2串聯(lián)接入光路中了.射頻信號的頻率為f＝72.2 MHz，則信號進(jìn)入聲光調(diào)制器1和聲光調(diào)制器2的頻率相同都為f＝72.2 MHz，能夠確保光的頻移量相等.

實(shí)驗(yàn)光路如圖2，光束經(jīng)過λ／2波片和棱鏡PBS1分為兩束光，一束通過全反鏡進(jìn)入聲光調(diào)制器的為要移相光.為了提高衍射率，實(shí)驗(yàn)中把聲光調(diào)制器1放在透鏡F1（焦距為：f1＝300 mm）的焦點(diǎn)上.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖：HR450：450 全反鏡，F(xiàn)1-F7：凸透鏡，PBS1和PBS2：偏振分束器，AOM 1 和 AOM 2：聲光調(diào)制器，50／50BS：50／50的分束器Fig.2 Experimental setup schematic.HR450：450 high reflecting mirrors，F(xiàn)1-F7：lens，PBS1 and PBS2：polarization beam splitters，AOM1 and AOM2：acousto-optic modulators，50／50BS：50／50 beam splitters

本實(shí)驗(yàn)光的正一級衍射效率約為63%，透鏡F1與透鏡F2（f2＝150 mm）之間的距離為F1與F2的焦距之和，這樣從透鏡F2出射光為平行光.然后再用透鏡F3（f3＝150 mm）匯聚，把聲光調(diào)制器2放在它的焦點(diǎn)上，聲光調(diào)制器2的出射光負(fù)一級衍射效率約為44%，透鏡F3與透鏡F4（f4＝300 mm）之間的距離為F3與F4的焦距之和，從透鏡F4出射光仍為平行光.為了減小透鏡對光特性的影響，光路應(yīng)該對稱，即f1＝f4，f2＝f3.由于光束經(jīng)過兩次衍射，光斑很小，所以又經(jīng)過透鏡F5（f5＝80 mm）和F6（f6＝300 mm）擴(kuò)束.擴(kuò)束后光過半反半透鏡的功率為0.423 m W.另一束光為參考光，再經(jīng)過λ／2波片和棱鏡PBS2，經(jīng)全反鏡過半反半透鏡的功率為0.419 m W.半反半透鏡到透鏡F7（f7＝35 mm）的距離為5 cm，透鏡F7到光屏的距離為70 cm.然后觀察兩束光的干涉條紋的位置，就可得到相移光束的相位平移量.

圖中PBS2的作用不只是充當(dāng)反射鏡，它還可以調(diào)整偏振方向，目的是與另一束光的偏振相同.當(dāng)然還能調(diào)節(jié)光強(qiáng)，使兩束光在半反半透鏡處重合的功率一樣，增強(qiáng)干涉條文的反襯度.可以看到，光束的相位延遲θ1-θ2，是由兩個(gè)聲光調(diào)制器驅(qū)動的射頻信號差Δθ控制.因此，通過控制Δθ，我們可以實(shí)現(xiàn)直接改變輸出光束的相位以達(dá)到我們的目的.

本實(shí)驗(yàn)是光學(xué)相干實(shí)驗(yàn)，所以要求激光單模性特別高.而且必須保證對光的兩次頻率移大小相等，即通過聲光調(diào)制器1的頻率增加量等于通過聲光調(diào)制器2的頻率減少量.為保證這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中只用一個(gè)的射頻信號源驅(qū)動聲光調(diào)制器，這樣就在第一個(gè)聲光調(diào)制器上光頻率移出量與第二個(gè)聲光調(diào)制器移回量才能保證相同.用一個(gè)射頻信號驅(qū)動兩個(gè)聲光調(diào)制器，我們得到了非常清晰的干涉圖，圖3為采集干涉對比圖.

每組對比圖中，上部分為原始圖A圖，下部分為相位平移圖B、C、D、E、F圖，由圖看出B、C、D、E、F圖與 A圖相位差θ1-θ2分別為 0.5π、π、1.5π、2π、2.5π.對應(yīng)信號相位延遲 Δθ：0.252π、0.523π、0.743π、1.015π、1.224π.干涉圖對應(yīng)的相位與理論超聲波對應(yīng)相位相當(dāng)吻合，是射頻信號的2倍.

3 結(jié)論

圖3 為干涉對比圖.上部分為原始圖A圖，下部分為相位平移圖 B、C、D、E、F圖，相位延遲為：0.5π、π、1.5π、2π、2.5πFig.3 Fringe patterns recorded with delay.Fig.A refers to the no delaying and B，C，D，E，F(xiàn) to 0.5π、π、1.5π、2π、2.5π

我們提出和驗(yàn)證了一種以聲光相互作用為理論的光相移方法，該方法與實(shí)驗(yàn)相當(dāng)吻合.聲光調(diào)制器在許多應(yīng)用中曾廣泛用作頻移器.從本文的理論和實(shí)驗(yàn)來看，聲光調(diào)制器也可完成光學(xué)相移的功能.本實(shí)驗(yàn)用的是衍射效率與偏振無關(guān)的聲光調(diào)制器，所以利用此方法的相移器對入射光束的偏振方向無關(guān)，不必準(zhǔn)直，體積小，使用方便，更不需要機(jī)械調(diào)整光程.最重要的是可以通過改變兩個(gè)輸入聲光調(diào)制器的射頻信號的相位，直接控制所需相移，基本不受周圍環(huán)境的影響，防震性特別高，精度高，不改變光路.這特性使該方法與已有的相移方法相比具有明顯優(yōu)勢.

［1］ Geriffin D W.Phase-shifting Shearing Interferometer［J］.OptLett，2001，26：140-141.

［2］ Mihaylova E，Whelan M，Toal V.A Simple Phase-shifting Lateral Shearing Interferometer［J］.OptLett，2004，29：1264.

［3］ Agrawal G P.Single-longitudinal-mode Semiconductor Lasers［M］.Progress in Optics，1988，26：350.

［4］ Woolf N J，Hinz P M，Angel J R P，etal.Imaging Circumstellar Environments with a Nulling Interferometer［J］.Nature，1998，395：251-253.

［5］ Kato J，Yamaguchi I，Matsumura T.Multicolor Digital Holography with an Achromatic Phase Shifter［J］.OptLett，2002，27：1403-1405.

［6］ 藍(lán)信鉅.激光技術(shù)［M］.2版.北京：科學(xué)出版社，2001，43.

Direct Optical Phase Shifting Devices

CAO Ji-rui，JIA Jin-fang，DONG Ya-bin
（StatekeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices，SchoolofPhysicsandElectronicsEigeneering，ShanxiUniversity，Taiyuan030006，China）

Based on theory of modulation of the frequency and phase modulated acousto-optic，a optical phase-shifting method is introduced.By using a pair of acousto-optic modulators（AOMs）and properly aligning them，we construct an optical phase shifter that can directly control the phase of a collimated beam.The proposed phase shifter is insensitive to the polarization of the incident beam when polarization-insensitive AOMs are used，and no calibration is necessary.It is the method that can incident phase-shifting directly.The proposed approach is confirmed with experimental results.

optical phase-shifting；RF driving signals；acousto-optic modulator

O43

A

0253-2395（2011）S2-0032-04

2011-09-20

國家自然科學(xué)基金（11004126）；中國國家基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2010CB923102）；山西省青年科技基金（2011021003-

1）；山西省高校高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目（20080004）

曹吉瑞（1979-），男，山西天鎮(zhèn)人，碩士生，主要從事量子光學(xué)方面的研究.*通訊聯(lián)系人：E-mail：ybdong＠sxu.edu.cn