[发明专利]高延迟波幅光弹性调制器

说明书

技术领域

本发明总体涉及光弹性调制器，更具体地，涉及高延迟波幅光弹性调制器。

背景技术

双折射光学材料展现出随着入射光的偏振方向变化的折射率，并且双折射光学材料的特征在于折射率的最大和最小值之间的差值以及在于沿着与这些极值相应的主轴的偏振方向。延迟为在沿着主轴偏振的波之间引入的相位差，其由穿过双折射材料的传播导致，并且与双折射、光穿过材料所传播的距离以及光的频率成比例。在某些给定波长，它可表达为“波”(waves)；即，2п弧度的相位差乘以在给定(真空)波长的“波”数。

各向同性材料，诸如熔融二氧化硅和微晶ZnSe，不是双折射的，但是通过诸如机械应力的外界因素可引发成双折射。这被称为光弹性效应。在各向同性材料中，沿着一个方向的应变(以及相关的应力)可使沿着垂直方向的折射率以及没有应变方向的折射率改变到沿应变方向。这些方向为与应力引发的双折射相关的主轴。取决于线性偏振光的偏振方向是平行于还是垂直于应变的方向，线性偏振光遭遇这一个或另一个值的折射率。对于偏振的中间方向，电磁波可被分解成沿着主轴的两个分量，每个分量以对应于它所遭遇的折射率的相位速度传播。该相位速度上的差值导致两个分量之间的相位差(延迟)。当重新结合时，这导致了合成光的偏振态改变(例如参见，“Piezo-Optical Birefringence Modulators：New Use for Long Known Effect”by J.C.Kemp，J.Opt.Soc.Am.59，950-954(1969).)。

光弹性调制器(PEM)为利用光弹性效应来产生随时间变化的双折射的光学设备，该随时间变化的双折射可用于调制：(i)光的偏振态；或者(ii)光强度。压电换能器(PZT)可被用于施加机械应力到通常非双折射的材料上。由于压电换能器不具有内部移动部件，PZTs可以较高的频率工作；然而，以高频率工作(利用合理的驱动电压)可能仅仅产生较小的位移，除非使用谐振PEMs，其中以PEM的谐振频率施加的小驱动力可在PEM中产生较高的应力振荡波幅(例如参见，上文的J.C.Kemp)。

PEMs的常规应用需要小的延迟波幅，典型地小于特定波长(例如，熔融二氧化硅在可见光，以及ZnSe、Ge和Si在红外)处的一个波形。具有四分之一波的延迟波幅的PEM会将线性偏振的入射光转换成圆偏振光(在延迟的波峰和波谷处交替左右偏振)，在这些偏振之间的是椭圆偏振。如果在光路中引入四分之一波片(其增加固定的四分之一波的延迟)，全部延迟(PEM加上波片)会在零和二分之一波之间振荡，以及如果将正确定向的偏振器设置在光学系统的两侧，出射光的强度将在零和入射强度之间振荡，由此对单色光产生高速强度调制。例如参见，HINDS Instruments，Inc.of Hillsboro，Oregon的刊物“Photoelastic Modulators”，其中，透明的光弹性材料矩形条块附接在压电换能器上，以使得该条块沿着它的长尺寸振动，振荡的双折射效应的最大值为处于熔融二氧化硅条块的中心的最大值。

假定输入偏振器处于相对PEM光轴45°处，而输出偏振器可与输入偏振器平行或垂直于任择其一。

如上所述，可通过在两个具有互相正交偏振方向的线性偏振光波之间引入相位差，以及凭借设置在两个偏振器之间的光弹性调制器把该差值转化为光强度值来构建干涉仪。这样的干涉仪可用于傅立叶变换(FT)光谱仪(PEM/FT)(参见，在1990年2月27日授予Tudor N.Buican和John C.Martin的美国专利4,905,169“Method And Apparatus For Simultaneously Measuring Fluorescence Over A Multiplicity Of Spectral Channels”。)。