阅读说明：本技术 利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法 (Achromatic phase retarder made of crystal and manufacturing method ) 是由 钟海政 陈小梅 路文高 于 2019-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法,其中,所述晶体的结构为纳米晶嵌入晶体主基质；所述纳米晶的尺寸为1nm～20nm并且在所述晶体主基质的一个晶面内分布；所述晶体主基质为折射率小于2、带隙大于2.5eV的透明单晶；并且对于400nm～3000nm波长的光,所述晶体主基质与所述纳米晶的折射率差的范围为0.15～2.00,其中,所述消色差相位延迟器是厚度为0.1cm～0.4cm的晶体片。(The invention relates to an achromatic phase retarder made of crystals and a manufacturing method thereof, wherein the crystals have a structure that nanocrystals are embedded in a crystal host matrix; the size of the nano-crystal is 1 nm-20 nm and is distributed in one crystal plane of the crystal host matrix; the crystal host matrix is a transparent single crystal with the refractive index less than 2 and the band gap greater than 2.5 eV; and the difference of the refractive index between the crystal host matrix and the nanocrystal is in the range of 0.15-2.00 for light with a wavelength of 400-3000 nm, wherein the achromatic phase retarder is a crystal plate with a thickness of 0.1-0.4 cm.)

利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法。

背景技术

光学相位延迟器是实现对光相位调制及光偏振状态变换的重要器件之一，消色差相位延迟器因削弱了相位延迟量对波长的依赖程度，可用于较大的光谱范围，因此在光谱整形、激光调谐和光通信等领域都有着广泛的应用前景。目前市场上的消色差相位延迟器根据设计机理的不同有双折射型和基于螺旋天线理论的超材料型两类，这两类普遍存在延迟精度较低、消色差度低、结构复杂、操作比较麻烦等缺点，且生产时需要经过精细的光学设计。

因此，目前亟须一种结构简单、制备简便、延迟精度高且适用于宽波段的消色差相位延迟器。

发明内容

为此，本发明提供了一种利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法，通过对晶体的结构设计，使得晶体具有“纳米晶嵌入晶体主基质”结构，可以达到一片晶体具备消色差四分之一波片的性能。

本发明创新地发现具有“纳米晶嵌入晶体主基质”结构的晶体在消色差相位延迟方面的性质，从而利用这种晶体的这种性质制作出消色差相位延迟器，代替了以往多个晶片复合组成的复合波片或要用多个晶体才能达到宽波段从线偏振光改性为圆偏振光的效果，且延迟精度高，降低了繁琐困难的相位延迟器的制备、光路调整及器件装配工艺的难度，大大改善了光的偏振态的稳定性。

根据本发明的一个方面，提供了一种利用晶体制成的消色差相位延迟器，其中：

所述晶体的结构为纳米晶嵌入晶体主基质；

所述纳米晶的尺寸为1nm～20nm并且在所述晶体主基质的一个晶面内分布；

所述晶体主基质为折射率小于2、带隙大于2.5eV的透明单晶；并且

对于400nm～3000nm波长的光，所述晶体主基质与所述纳米晶的折射率差的范围为0.15～2.00，

其中，所述消色差相位延迟器是厚度为0.1cm～0.4cm的晶体片。

优选地，所述晶体主基质的材料是从包括以下项的组中选择的任一项：

结构通式为A₄BX₆的材料，其中A为Na、K、Rb和Cs中的一个或两个，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mg、Mo、Cu、Zn、Cd、Ca和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为R₄BX₆的材料，其中R为以下中的一个或两个：CH₃(CH₂)_nNH₃ ⁺、NH＝CHNH₃ ⁺、C(NH₂)₃ ⁺和C₆H₅(CH₂)_nNH₂，其中n＝0至10，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mg、Mo、Cu、Zn、Cd、Ca和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为AX的材料，其中A为Na、K、Rb和Cs中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为RX的材料，其中R为以下中的一个或两个：CH₃(CH₂)_nNH₃ ⁺、NH＝CHNH₃ ⁺、C(NH₂)₃ ⁺和C₆H₅(CH₂)_nNH₂，其中n＝0至10，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

柠檬酸三钠Na₃C₆H₅O₇·2H₂O；

石英；以及云母。

优选地，所述纳米晶的材料是从包括以下项的组中选择的任一项：

结构通式为ABX₃的材料，其中A为K、Rb和Cs中的一个或两个，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mo、Cu和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为RBX₃的材料，其中R为以下中的一个或两个：NH＝CHNH₃ ⁺和CH₃(CH₂)_nNH₃ ⁺，其中n＝0至3，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mo、Cu和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

碳点；以及MgF。

优选地，所述晶体主基质的折射率小于1.8。

优选地，所述相位延迟器是直径为0.5cm～3cm的圆片。

优选地，所述相位延迟器的适用波长为400nm～3000nm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用晶体制作消色差相位延迟器的方法，所述晶体的结构为纳米晶嵌入晶体主基质，所述纳米晶的尺寸为1nm～20nm并且在所述晶体主基质的一个晶面内分布，所述晶体主基质为折射率小于2、带隙大于2.5eV的透明单晶，并且对于400nm～3000nm波长的光，所述晶体主基质与所述纳米晶的折射率差的范围为0.15～2.00，

其中，所述方法包括：

将所述晶体制成直径为0.5cm～3cm、厚度为0.1cm～0.4cm的圆片。

在一个实施例中，通过将所述纳米晶原位嵌入所述晶体主基质而制成所述晶体。

在另一个实施例中，通过在生长出所述晶体主基质后以后期调控的方式形成纳米晶而制成所述晶体。

优选地，所述后期调控的方式包括：通过高能激光、X-射线或电子束进行辐照，或者通过高温加热、加压或超声波振动，对所述晶体主基质施加能量，使得在所述晶体主基质的结构中形成纳米晶。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果。

本发明提供了一种利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法，本发明通过在单晶中嵌入纳米晶体形成了一种新的晶体，最终只用单片该晶体便实现了消色差四分之一波片的全部性能，可以将可见光至红外(400nm～3000nm)超宽波段的光相位延迟

也可将此波段相位差的光调控成π或其整数倍，避免了现有宽波段消色差波片需要粘连多个和多种晶体等繁琐的工艺及光学设计的过程。

现有的消色差相位延迟器的设计过程往往影响着适用波段的宽窄、延迟精度等相位延迟器的技术要求，而本发明提供的消色差相位延迟器从源头杜绝了这些不良影响，且使用调整方便，大大降低了光路调整及器件装配工艺的难度，提高了光学元器件耦合、光通信性能和光路的稳定性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1中的a、b、c分别为根据本发明一实施例的沿x、y和z方向的纳米晶嵌入晶体主基质结构的示意图。

图2a、图2b和图2c分别为当线偏振光振动方向相对晶体面的夹角为

和时530nm～800nm的宽波段光被根据本发明一实施例的消色差相位延迟器调控后的效果图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

传统的消色差相位延迟器是两片以上的同种材料或不同种材料组成的消色差波片，其消色差的波长取决于消色性的允许误差。然而，若想达到较宽的允许波段，通常需要六片不同种材料粘连而成。传统的消色差相位延迟器的缺点是：(1)需要多片晶体，耗费的材料成本大；(2)需要经过精细的光学设计；(3)能调控的波段较窄，约中心波长的±150nm。

相比于传统的消色差相位延迟器，现有技术中还提出了一种采用超材料制成的宽波段光学相位延迟器。超材料是经微纳加工的具有周期性结构的材料，因超材料本质通常具有圆二色性，在圆二色性的基础上叠加光束在超材料物质形成的Fabry-Perot谐振腔(F-P腔)中来回震荡，通过改变光程差可以实现线偏振光到圆偏振光的宽带宽偏振转换。

上述的宽波段光学相位延迟器虽然适用于宽波段，但是存在以下缺点：(1)制备复杂；(2)超材料因加工精度极限，目前只能实现对红外波段的调控。

为解决现有技术中的宽波段消色差相位延迟器存在延迟精度较低、消色差度低、结构复杂、操作比较麻烦等缺点。首先，本发明一实施例提供了一种利用晶体制成的消色差相位延迟器。

其中，晶体的结构为“纳米晶嵌入晶体主基质”；纳米晶的尺寸为1nm～20nm并且在晶体主基质的一个晶面内分布；晶体主基质为折射率小于2、带隙大于2.5eV的透明单晶；并且对于400nm～3000nm波长的光，晶体主基质与纳米晶的折射率差的范围为0.15～2.00。其中，消色差相位延迟器是厚度为0.1cm～0.4cm的晶体片。

图1的a、b、c分别为根据本发明一实施例的沿x、y和z方向的纳米晶嵌入晶体主基质结构的示意图。如图1所示，图中内部颜色较暗的部分为嵌入的纳米晶，外部颜色较浅的部分为晶体主基质。

在本发明一实施例中，晶体主基质为宽带隙透明单晶，其折射率小于2(以波长λ＝532nm为准)。其中，宽带隙透明单晶为带隙大于2.5eV的单晶，当单晶的带隙大于2.5eV时，此时单晶会透明或偏绿、偏蓝的透明。

在本发明一实施例中，纳米晶的材料与晶体主基质的材料不同，并且纳米晶在晶体主基质的一个晶面内分布。纳米晶为尺寸约1nm～20nm的纳米颗粒，其折射率不等于晶体主基质的折射率，即纳米晶的折射率大于或小于晶体主基质的折射率。优选地，在本发明一实施例中，对于400nm～3000nm波长的光，晶体主基质与纳米晶的折射率差的范围为0.15～2.00。

需要说明的是，对于400nm～3000nm波段任意一波长，宽带隙透明单晶与纳米晶的折射率差的范围均为0.15～2.00。

在本发明一实施例中，晶体主基质的材料是从包括以下项的组中选择的任一项：

结构通式为A₄BX₆的材料，其中A为Na、K、Rb和Cs中的一个或两个，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mg、Mo、Cu、Zn、Cd、Ca和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为R₄BX₆的材料，其中R为以下中的一个或两个：CH₃(CH₂)_nNH₃ ⁺、NH＝CHNH₃ ⁺、C(NH₂)₃ ⁺和C₆H₅(CH₂)_nNH₂，其中n＝0至10，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mg、Mo、Cu、Zn、Cd、Ca和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为AX的材料，其中A为Na、K、Rb和Cs中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为RX的材料，其中R为以下中的一个或两个：CH₃(CH₂)_nNH₃ ⁺、NH＝CHNH₃ ⁺、C(NH₂)₃ ⁺和C₆H₅(CH₂)_nNH₂，其中n＝0至10，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

柠檬酸三钠Na₃C₆H₅O₇·2H₂O；

石英；以及云母。

在本发明一实施例中，纳米晶的材料是从包括以下项的组中选择的任一项：

结构通式为ABX₃的材料，其中A为K、Rb和Cs中的一个或两个，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mo、Cu和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

结构通式为RBX₃的材料，其中R为以下中的一个或两个：NH＝CHNH₃ ⁺和CH₃(CH₂)_nNH₃ ⁺，其中n＝0至3，B为Pb、Sn、Ge、Mn、Mo、Cu和Sr中的一个或两个，X为F、Cl、Br和I中的一个或两个；

碳点；以及MgF。

需要说明的是，在本发明一实施例中，以结构通式为A₄BX₆的材料为例，其中，当A为Na、K、Rb和Cs中的两个时，指的是结构通式中的A₄是由Na、K、Rb和Cs中的任意两种元素组成，只要这两种元素的化学式数字下标相加等于A₄的数字下标即可。例如A₄可以是Na₂K₂、Rb₂Cs₂或Rb₃K，分别对应的结构通式为Na₂K₂BX₆、Rb₂Cs₂BX₆或Rb₃KBX₆。此外，当B、R和X为多个元素中的两个时，与上述A的情况相同，在此不再赘述。

优选地，晶体主基质的折射率小于1.8(以波长λ＝532nm为准)。

在本发明一实施例中，具有“纳米晶嵌入晶体主基质”结构的晶体是由以下方式形成的：纳米晶通过原位嵌入晶体主基质。即通过原位嵌入的方式，使得长晶体的时候会原位形成晶体主基质包含纳米晶的结构。

在本发明另一实施例中，具有“纳米晶嵌入晶体主基质”结构的晶体还可以是由以下方式形成的：通过在生长出晶体主基质后以后期调控的方式形成纳米晶而制成。过程为：通过高能激光、X-射线或电子束等进行辐照，或者通过高温加热、加压或超声波振动等，对晶体主基质施加能量，使得在晶体主基质的结构中形成纳米晶。

需要说明的是，也可以由其他方式获得“纳米晶嵌入晶体主基质”结构的晶体，本发明不限于此。

在本发明一实施例中，利用晶体制成的消色差相位光学延迟器是厚度为0.1cm～0.4cm的晶体片。

优选地，晶体经过切片打磨抛光后被制成厚度0.1cm～0.4cm的晶体片。只需一片该晶体片就能够实现消色差四分之一波片的全部性能。其中，切片是指使用刀片、激光等切割成片。打磨抛光是指使用抛光粉或抛光膏在砂纸、尼龙布、羊毛布、纤维、植绒羊毛或丝绸上将晶体片打磨抛光至表面呈镜面光滑。

为使得透光效果最佳，优选地，利用晶体制成的消色差相位延迟器是直径0.5cm～3cm、厚度0.1cm～0.4cm的晶体圆片。

在本发明一实施例中，利用晶体制成的消色差相位延迟器的适用波长段为400nm～3000nm。亦即，对于400nm～3000nm波段任意波长的光，消色差相位延迟器都可以实现消色差四分之一波片的全部性能。即，可以将入射线偏振光的相位延迟或将本来具有相位差的圆偏振光调控为相位差为π或其他整数倍的线偏振光，或将线偏振光调控成圆偏振光，可实现线偏振光和圆偏振光的相互转换。

图2a、图2b和图2c分别为当线偏振光振动方向相对晶体面的夹角为 和

时530nm～800nm的宽波段光被根据本发明一实施例的消色差相位延迟器调控后的效果图，其中

可以是任意角度。如图2a所示，当线偏振光振动方向相对晶体面的夹角为

时，入射线偏振光被消色差相位延迟器调控为圆偏振光(出射光)，纵轴则说明在530nm～800nm波段内都有这个效应。如图2b所示，当线偏振光振动方向相对晶体面的夹角为

时，此时正好为光直接透过角度，即对于530nm～800nm波段的线偏振光，入射到消色差相位延迟器后出射光还是线偏振光。如图2c所示，当线偏振光振动方向相对晶体面的夹角为

时，其过程与图2a的过程相同，在此不再赘述。

相应地，本发明一实施例还提供一种利用晶体制作消色差相位延迟器的方法，晶体的结构为纳米晶嵌入晶体主基质，纳米晶的尺寸为1nm～20nm并且在晶体主基质的一个晶面内分布，晶体主基质为折射率小于2、带隙大于2.5eV的透明单晶，并且对于400nm～3000nm波长的光，晶体主基质与纳米晶的折射率差的范围为0.15～2.00，

其中，该方法包括：

将晶体制成直径为0.5cm～3cm、厚度为0.1cm～0.4cm的圆片。

在本发明一实施例中，通过将纳米晶原位嵌入晶体主基质而制成晶体。

在本发明一实施例中，通过在生长出晶体主基质后以后期调控的方式形成纳米晶而制成晶体。

在本发明一实施例中，后期调控的方式包括：通过高能激光、X-射线或电子束进行辐照，或者通过高温加热、加压或超声波振动，对晶体主基质施加能量，使得在晶体主基质的结构中形成纳米晶。

综上所述，本发明提供了一种利用晶体制成的消色差相位延迟器和制作方法，本发明从晶体材料的结构设计出发，通过在单晶中嵌入纳米晶体形成了一种新的晶体，最终只用单片该晶体便实现了消色差四分之一波片的全部性能，可以将可见光至红外(400nm～3000nm)超宽波段的光相位延迟也可将此波段相位差的光调控成π或其整数倍，避免了现有宽波段消色差波片需要粘连多个和多种晶体等繁琐的工艺及光学设计的过程。

现有的消色差相位延迟器的设计过程往往影响着适用波段的宽窄、延迟精度等相位延迟器的技术要求，而本发明提供的消色差相位延迟器从源头杜绝了这些不良影响，且使用调整方便，大大降低了光路调整及器件装配工艺的难度，提高了光学元器件耦合、光通信性能和光路的稳定性。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“实施例”并不一定均指同一个实施例。

此外，所描述的特征或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如厚度、数量等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。