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广义的空间双折射网络,指的是由多个等效光轴平行于晶体界面的双折射介质,在空间上规则或无规则排列的光学结构,既包括由多级双折射晶体级联与偏振器结合的静态的空间光学双折射网络,也包括多级电光调制器或者多级电光双折射系统(不含有偏振器)等动态的电光双折射网络。经过半个多世纪的发展,空间双折射网络已经成为目前许多领域的重要器件,它为实现频域滤波提供了一种非常有效的方法,用来进行滤波器的研究与设计,如偏振干涉滤波器。除此之外,由多级电光晶体组成的动态双折射网络在偏振态控制、电光调制等领域也有着广泛的应用。本论文对动态的电光双折射网络进行了研究,设计了新型的电光双折射网络,通过晶体中光波的传播与控制,来获得新型的光学处理功能,分别实现了电光双折射网络的时域光波波形综合器与电控超分辨光瞳滤波器。主要包括以下工作:
1、根据傅里叶合成理论,进行了光学领域电光调制的傅里叶合成,设计了一类电光双折射网络综合器,提出由基元调制的电光晶体、相位补偿器与偏振器构成的电光双折射网络综合器合成光波波形的综合原理。利用琼斯理论与傅里叶级数分析理论,推导出电光双折射网络的物理输出,提出以扩展傅里叶级数系数正向对比搜索算法搜索最佳的电光双折射网络的物理结构参数,包括综合单元的方位角(由电光双折射晶体的电感应主轴与相位补偿器相同的方位角决定)、外电场的电场幅值等。结构设计、理论分析与算法设计为实现时域光波波形提供了理论和方法上的基础。
2、以一种三级电光双折射网络综合器为例,进行了具体的实例设计,实现了矩形波与三角波等类型的周期性光波波形的综合。该周期性调制光波同时具备了高调制深度、单色、单一偏振、时域相位等综合信息,可应用在连续的单色光波整形且无需利用电场波形发生器,避免了单级电光调制器在大调制度下的波形失真问题。以矩形波为例进行了误差分析,对综合单元方位角误差、外电场幅值误差、电光晶体纵横比误差引起的波形变化进行了分析,并对三级矩形波综合器进行了实验上的简单验证。研究了综合器反向使用特性,并对四块电光晶体组成的双通电光双折射网络进行了初步的研究。
3、将径向对称双折射晶体、电光晶体、双折射晶体延迟器(双λ/4正交波片)与偏振器组成的特殊双折射网络-径向电光双折射网络引入到超分辨领域及相关的扩展焦深、焦移控制领域中。所依据的光学原理是光瞳面上偏振态的调制与偏振干涉,其中,径向双折射晶体具有径向偏振态调制功能,电光晶体可以动态调整纵向上的有效电光相位延迟以改变偏振态,整个系统作为一个光瞳滤波器,外电场作用下可实现横向上的超分辨和超分辨因子的实时控制。分析了两种不同结构下的双折射网络及其功能,一种结构下可以实现动态超分辨因子控制,同时在特定电场下可实现轴向上扩展的焦深。另外一种结构是由两偏光镜及包含有径向双折射元件的任意偏振态的电控旋光器组成,利用径向双折射元件和旋光器对光偏振态的空间调制与旋转作用,获得了焦点位置的动态控制并同时保证焦平面上的横向超分辨特性。