直接光学相移器

曹吉瑞，贾晋芳，董雅宾

（量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

直接光学相移器

曹吉瑞，贾晋芳，董雅宾*

（量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

根据声光调制中的频率、相位调制原理，文章提出了一种光学相移的方法.利用一对声光调制器，合理校准它们，可以构建出一个光学相移器.这个相移器通过两声光调制器的超声波相位差可以直接控制两光束的相位差.当使用与偏振无关的声光调制器时，该相移器对入射光的偏振并不敏感，而且不需要精确的机械刻度.这是把相移直接引入校准激光束的光学相移方法，且提出的该方法与实验结果完全一致.

光学相移；射频信号；声光调制器

0 引言

在各种基于干涉光学的实验与系统中都渴望控制光束的相位，包括横向剪切干涉仪［1-2］，相位轮廓测定法及全息干涉［3］，恒星干涉测量［4］等，光学相移都能以不同的方式引入.绝大部分的光学相移器是利用机械的方式，移动一个光学平面镜或光栅，改变光程差，把相移引入反射或干涉光束中.还有一种引起相移的方法称作几何相移法，是基于两束相干光在不同偏振态下的效果分析［5］.但这些都是应用机械移动的，所以不可避免的存在着精度和稳定性等问题.

本文中，我们提出并验证了另外一种光学相移的方法，即光经过一对声光调制器后，引入相位平移.同时不改变光路，所以避开了机械移动，直接把射频信号的相位引入光束中.这种相位移动的方法的最大特点是精度高、稳定性好、不改变光路、体积小、使用方便等.

1 理论

下面具体介绍声光调制中的频率、相位调制理论.

设入射光束电场表示为：

第一个声光调制器的超声波场用驻波场表示为：

在声光调制器内，材料的密度（和折射率）由超声波来调制.入射的声波在声光调制器中形成光栅.当入射角满足所谓的布拉格条件，入射光束产生＋1级衍射，衍射光束频率会发生改变.根据与声波相关的入射光束方向，如果入射光方向与超声波传播方向相对，如图1所示，根据声光调制中的频率、相位调制原理，＋1级衍射光束频率会增加.

从声光调制器1出射的光束电场可以表示为：

其中Φ1是光束经过声光调制器1后的相位延迟，出射场E10与入射场E0的关系取决于声光调制器的衍射效率.

光的入射角频率ω0和超声波角频率Ω与出射角频率ωd的关系是［6］：

入射光初相位φ1和超声波初相位θ1与出射光初相位Φ1的关系是［6］：

图1 相移器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the proposed optical phase shifter

声光调制器1产生的第1级衍射光进入第2个声光调制器后，其光束的电场表示为：

这里φ2是光束从声光调制器1到声光调制器2的相位延迟.加在声光调制器2上的超声波的驻波场可表示为：

进入声光调制器2的光束与超声波传播方向相向，因此，由声光调制器2出射的光束频率会减小.声光调制器2出射的一级衍射级光束电场可以表示为：

其中，光的入射角频率ωd和超声波角频率Ω与出射角频率ω′d的关系是：

光的入射光初相位Φ1＋φ2和超声波初相位θ2与出射光初相位Φ2的关系是：

由于两个声光调制器是被相同频率的信号驱动.故声光调制器1增加的频率将被声光调制器2减小频率所抵消.φ2是光束从进入声光调制器1到出声光调制器2整个光程所引起的相延迟.而事实上，比较第二个声光调制器的入射方程和出射方程，可知φ1-φ2是固定的，对光的相位的控制正是对超声波的相位θ1-θ2控制.其实是对输入两个声光调制器射频信号之间的相位差Δθ控制.而且由于射频信号产生的超声波是驻波，所以超声波的相位差θ1-θ2是射频电信号相位差Δθ的2倍.

其中，两射频信号的相位差Δθ正是延迟的量.那么，我们要想对光束的相位平移量为2π时，只要把射频电信号相位延迟Δθ为π即可.

2 实验装置及结果

780 nm的半导体激光器出射的激光束通过一对声光调制器，通过控制驱动两个声光调制器射频信号的相位，就可控制两声光调制器的驻波场的相位差，实现对θ1-θ2控制，从而引起激光束相位延迟.我们使用与偏振无关的声光调制器，该相移器对入射光的偏振并不敏感.

入射光束通过两声光调制器衍射，声光调制器1的第一级衍射光作为声光调制器2的入射光束，这样两个声光调制器1和2串联接入光路中了.射频信号的频率为f＝72.2 MHz，则信号进入声光调制器1和声光调制器2的频率相同都为f＝72.2 MHz，能够确保光的频移量相等.

实验光路如图2，光束经过λ／2波片和棱镜PBS1分为两束光，一束通过全反镜进入声光调制器的为要移相光.为了提高衍射率，实验中把声光调制器1放在透镜F1（焦距为：f1＝300 mm）的焦点上.

图2 实验装置图：HR450：450 全反镜，F1-F7：凸透镜，PBS1和PBS2：偏振分束器，AOM 1 和 AOM 2：声光调制器，50／50BS：50／50的分束器Fig.2 Experimental setup schematic.HR450：450 high reflecting mirrors，F1-F7：lens，PBS1 and PBS2：polarization beam splitters，AOM1 and AOM2：acousto-optic modulators，50／50BS：50／50 beam splitters

本实验光的正一级衍射效率约为63%，透镜F1与透镜F2（f2＝150 mm）之间的距离为F1与F2的焦距之和，这样从透镜F2出射光为平行光.然后再用透镜F3（f3＝150 mm）汇聚，把声光调制器2放在它的焦点上，声光调制器2的出射光负一级衍射效率约为44%，透镜F3与透镜F4（f4＝300 mm）之间的距离为F3与F4的焦距之和，从透镜F4出射光仍为平行光.为了减小透镜对光特性的影响，光路应该对称，即f1＝f4，f2＝f3.由于光束经过两次衍射，光斑很小，所以又经过透镜F5（f5＝80 mm）和F6（f6＝300 mm）扩束.扩束后光过半反半透镜的功率为0.423 m W.另一束光为参考光，再经过λ／2波片和棱镜PBS2，经全反镜过半反半透镜的功率为0.419 m W.半反半透镜到透镜F7（f7＝35 mm）的距离为5 cm，透镜F7到光屏的距离为70 cm.然后观察两束光的干涉条纹的位置，就可得到相移光束的相位平移量.

图中PBS2的作用不只是充当反射镜，它还可以调整偏振方向，目的是与另一束光的偏振相同.当然还能调节光强，使两束光在半反半透镜处重合的功率一样，增强干涉条文的反衬度.可以看到，光束的相位延迟θ1-θ2，是由两个声光调制器驱动的射频信号差Δθ控制.因此，通过控制Δθ，我们可以实现直接改变输出光束的相位以达到我们的目的.

本实验是光学相干实验，所以要求激光单模性特别高.而且必须保证对光的两次频率移大小相等，即通过声光调制器1的频率增加量等于通过声光调制器2的频率减少量.为保证这一点，实验中只用一个的射频信号源驱动声光调制器，这样就在第一个声光调制器上光频率移出量与第二个声光调制器移回量才能保证相同.用一个射频信号驱动两个声光调制器，我们得到了非常清晰的干涉图，图3为采集干涉对比图.

每组对比图中，上部分为原始图A图，下部分为相位平移图B、C、D、E、F图，由图看出B、C、D、E、F图与 A图相位差θ1-θ2分别为 0.5π、π、1.5π、2π、2.5π.对应信号相位延迟 Δθ：0.252π、0.523π、0.743π、1.015π、1.224π.干涉图对应的相位与理论超声波对应相位相当吻合，是射频信号的2倍.

3 结论

图3 为干涉对比图.上部分为原始图A图，下部分为相位平移图 B、C、D、E、F图，相位延迟为：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 to 0.5π、π、1.5π、2π、2.5π

我们提出和验证了一种以声光相互作用为理论的光相移方法，该方法与实验相当吻合.声光调制器在许多应用中曾广泛用作频移器.从本文的理论和实验来看，声光调制器也可完成光学相移的功能.本实验用的是衍射效率与偏振无关的声光调制器，所以利用此方法的相移器对入射光束的偏振方向无关，不必准直，体积小，使用方便，更不需要机械调整光程.最重要的是可以通过改变两个输入声光调制器的射频信号的相位，直接控制所需相移，基本不受周围环境的影响，防震性特别高，精度高，不改变光路.这特性使该方法与已有的相移方法相比具有明显优势.

［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］ 蓝信钜.激光技术［M］.2版.北京：科学出版社，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

国家自然科学基金（11004126）；中国国家基础研究计划（2010CB923102）；山西省青年科技基金（2011021003-

1）；山西省高校高新技术产业化项目（20080004）

曹吉瑞（1979-），男，山西天镇人，硕士生，主要从事量子光学方面的研究.*通讯联系人：E-mail：ybdong＠sxu.edu.cn